CN113772806B - 一种用于渗滤液处理的一体式微生物燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于渗滤液处理的新型一体式微生物燃料电池，厌氧一号阳极室与厌氧一号阴极室之间设置有阳离子交换膜，厌氧一号阴极室与厌氧甲烷反硝化二号阳极室之间设置有挡板，厌氧甲烷反硝化二号阳极室与厌氧氨氧化室之间、厌氧氨氧化室与厌氧甲烷反硝化二号阴极室之间均通过溢流通道连接，亚硝化反应室内设置有微曝气系统且底部设置有内回流槽，内回流槽通过回流管道为厌氧氨氧化和厌氧甲烷反硝化提供电子受体，所有极室的顶部均设置有电极插孔和参比电极插孔且电极材料采用碳毡类电极材料。本发明可同步实现厌氧氧化‑厌氧氨氧化‑厌氧甲烷反硝化，减少阳离子交换膜的消耗，有效实现垃圾渗滤液的深度处理和电力资源的再生。

Description

一种用于渗滤液处理的一体式微生物燃料电池

技术领域

本发明涉及微生物燃料电池技术领域，尤其涉及一种用于渗滤液处理的新型一体式微生物燃料电池。

背景技术

传统的用于渗滤液处理的微生物燃料电池主要分为单室式和双室式，单室空气阴极的库仑力偏低，制约的其实际生产使用。双室式结构最为经典，便于对阴阳两极分别进行管理，但是阴极室和阳极室之间存在较大的距离，传质阻力高，离子交换膜造价昂贵且需经常更换，其成本过高且长期运行后会造成膜污染和离子沉积等问题。在实际污水处理应用中，厌氧微生物燃料电池由于运行费用较低，具有广泛的应用前途，但是其产生的甲烷回收和利用的问题依旧需要解决。针对双室微生物燃料电池中膜材料昂贵、易堵塞、污染及厌氧甲烷回收等问题研究了一套一体式单模耦合厌氧氨氧化和厌氧甲烷反硝化的微生物燃料电池。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于渗滤液处理的新型一体式微生物燃料电池，解决现有技术中存在的上述问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明的一种用于渗滤液处理的新型一体式微生物燃料电池，包括依次设置的厌氧一号阳极室、厌氧一号阴极室、厌氧甲烷反硝化二号阳极室、厌氧氨氧化室、厌氧甲烷反硝化二号阴极室和亚硝化反应室，所述厌氧一号阳极室左侧设置有进水口，所述厌氧一号阳极室与所述厌氧一号阴极室之间通过阳离子交换膜进行电极分区，所述厌氧一号阴极室与所述厌氧甲烷反硝化二号阳极室之间通过挡板实现质子随反应器流态传递，所述厌氧甲烷反硝化二号阳极室与所述厌氧氨氧化室之间、所述厌氧氨氧化室与所述厌氧甲烷反硝化二号阴极室之间均通过溢流通道连接，所述亚硝化反应室内设置有微曝气系统、右侧设置有出水口且底部设置有内回流槽，所述内回流槽通过回流管道与所述厌氧甲烷反硝化二号阳极室和所述厌氧氨氧化室之间的所述溢流通道连通以为厌氧氨氧化和厌氧甲烷反硝化提供充足的电子受体，所述厌氧一号阳极室、所述厌氧一号阴极室、所述厌氧甲烷反硝化二号阳极室和所述厌氧甲烷反硝化二号阴极室的顶部均设置有电极插孔和参比电极插孔且电极材料采用碳毡类电极材料，所述厌氧一号阳极室和所述厌氧一号阴极室之间外接第一电阻，所述厌氧甲烷反硝化二号阳极室和所述厌氧甲烷反硝化二号阴极室之间外接第二电阻。

进一步的，所述电极材料为厚度为5mm、边长为5mm的立方体。

进一步的，所述厌氧一号阳极室和所述厌氧一号阴极室组成的原电池一号的集流体为长方形钛网笼，所述厌氧甲烷反硝化二号阳极室和所述厌氧甲烷反硝化二号阴极室组成的原电池二号的集流体为长方体钛网笼，所述厌氧氨氧化室采用多组串联的方式进行集流体构建。

进一步的，所述原电池一号的集流体的尺寸为25mm×75mm×80mm，所述原电池二号的集流体的尺寸为50mm×75mm×80mm，所述厌氧氨氧化室每一小单元的集流体的大小为5mm×75mm×80mm。

再进一步的，所述电极材料紧密堆积于钛网笼，并用直径为1mm的钛丝将所述电极材料与所述钛网笼相连，以完成电极组装。

进一步的，所述厌氧一号阳极室和所述厌氧一号阴极室的电极材料富集有厌氧菌群形成的厌氧生物膜，所述厌氧甲烷反硝化二号阳极室和所述厌氧甲烷反硝化二号阴极室的电极微生物采用培养的厌氧甲烷反硝化菌群进行挂膜培养，所述厌氧氨氧化室的填料采用厌氧氨氧化菌群进行挂膜培养，所述亚硝化反应室的填料采用硝化系统的活性污泥进行分离培养。

再进一步的，所述厌氧一号阳极室、所述厌氧一号阴极室、所述厌氧甲烷反硝化二号阳极室、所述厌氧氨氧化室、所述厌氧甲烷反硝化二号阴极室和所述亚硝化反应室共同构成反应器，所述反应器外设置有主体设备，所述主体设备采用有机玻璃构成且整体呈长方体，所述反应器整体使用配有蝴蝶夹的螺杆相连并采用硅胶垫密封。

进一步的，所述反应器采用恒定电阻电路启动，所述第一电阻和所述第二电阻均为750Ω的电阻。

进一步的，所述厌氧一号阳极室和所述厌氧一号阴极室的尺寸均为120mm ×85mm×110mm，所述厌氧甲烷反硝化二号阳极室的尺寸为80mm×85mm×140mm，所述厌氧氨氧化室的尺寸为80mm×85mm×104mm，所述厌氧甲烷反硝化二号阴极室的尺寸为80mm×85mm×134mm，所述亚硝化反应室的尺寸为60mm×85mm× 110mm。

进一步的，所述溢流通道的宽度为5mm，所述回流管道的宽度为6mm。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果：

本发明的用于渗滤液处理的新型一体式微生物燃料电池通过依次设置的厌氧一号阳极室、厌氧一号阴极室、厌氧甲烷反硝化二号阳极室、厌氧氨氧化室、厌氧甲烷反硝化二号阴极室和亚硝化反应室，可同步实现厌氧氧化-厌氧氨氧化 -厌氧甲烷反硝化，整体采用挡板和溢流通道在内部对池体进行分割，大量减少了阳离子交换膜的消耗和浪费，能将渗滤液中有机物的化学能转变为电能，有效的实现垃圾渗滤液的深度处理和电力资源的再生，解决双室微生物燃料电池中膜材料昂贵、易堵塞、污染等问题。

本发明的用于渗滤液处理的新型一体式微生物燃料电池可用于高氨氮、高有机物废水的处置，且整个装置采用连体构造，无外接管道，大大减少装置占用面积。

附图说明

下面结合附图说明对本发明作进一步说明。

图1为本发明的用于渗滤液处理的新型一体式微生物燃料电池的结构示意图。

附图标记说明：1、厌氧一号阳极室；2、钛网笼；3、电极材料；4、阳离子交换膜；5、挡板；6、溢流通道；7、厌氧菌群；8、厌氧一号阴极室；9、厌氧甲烷反硝化菌群；10、厌氧甲烷反硝化二号阳极室；11、厌氧氨氧化室；12、厌氧氨氧化菌群；13、厌氧甲烷反硝化二号阴极室；14、厌氧污泥；15、亚硝化反应室；16、微曝气系统；17、内回流槽。

具体实施方式

如图1所示，一种用于渗滤液处理的新型一体式微生物燃料电池，包括依次设置的厌氧一号阳极室1、厌氧一号阴极室8、厌氧甲烷反硝化二号阳极室10、厌氧氨氧化室11、厌氧甲烷反硝化二号阴极室13和亚硝化反应室15，厌氧一号阳极室1左侧设置有进水口，厌氧一号阳极室1与厌氧一号阴极室8之间通过阳离子交换膜4进行电极分区，厌氧一号阴极室8与厌氧甲烷反硝化二号阳极室10之间通过挡板5实现质子随反应器流态传递，厌氧甲烷反硝化二号阳极室10与厌氧氨氧化室11之间、厌氧氨氧化室11与厌氧甲烷反硝化二号阴极室13之间均通过溢流通道6连接，亚硝化反应室15内设置有微曝气系统16、右侧设置有出水口且底部设置有内回流槽17，内回流槽17通过回流管道与厌氧甲烷反硝化二号阳极室10和厌氧氨氧化室11之间的溢流通道6连通以为厌氧氨氧化和厌氧甲烷反硝化提供充足的电子受体，厌氧一号阳极室1、厌氧一号阴极室8、厌氧甲烷反硝化二号阳极室10和厌氧甲烷反硝化二号阴极室13的顶部均设置有电极插孔和参比电极插孔且电极材料3采用碳毡类电极材料，厌氧一号阳极室1和厌氧一号阴极室8之间外接第一电阻，厌氧甲烷反硝化二号阳极室10和厌氧甲烷反硝化二号阴极室13之间外接第二电阻。

本实施例的用于渗滤液处理的新型一体式微生物燃料电池在使用时，其通过将其氧化反应和还原反应分开进行，使产生电子的氧化反应作为阳极反应，接收电子的还原反应作为阴极，进而实现有机物和盐分去除与产电的同步进行。其中，电极的材料是产电微生物附着的载体，是电子传输的媒介，对微生物燃料电池污染物的去除和产电效能影响最为明显，本实施例采用的电极材料3为碳毡类的电极材料，碳毡电极可以表现出对COD有效去除能力，且该电极材料3 的微生物燃料电池的启动时间比较短，功率密度也可以达到相对较好的功率范围，在高电流密度的情况下也可以表现出较好的催化性能和生物膜稳定性。具体的，电极材料3为厚度为5mm、边长为5mm的立方体。

由于在填料性的微生物燃料电池中，电子的收集与导出效果直接影响反应器的性能，选用导电性能良好的集流体，将其与电极材料耦合为一个整体，可以实现电子的有效收集，避免集电死区的出现，因此选用12目无涂层钛网，厌氧一号阳极室1和厌氧一号阴极室8组成的原电池一号的集流体为长方形钛网笼2，厌氧甲烷反硝化二号阳极室10和厌氧甲烷反硝化二号阴极室13组成的原电池二号的集流体为长方体钛网笼2，厌氧氨氧化室11采用多组串联的方式进行集流体构建。其中，原电池一号的集流体的尺寸为25mm×75mm×80mm，原电池二号的集流体的尺寸为50mm×75mm×80mm，厌氧氨氧化室11每一小单元的集流体的大小为5mm×75mm×80mm。并且，电极材料3紧密堆积于钛网笼2，并用直径为1mm的钛丝将电极材料3与钛网笼2相连，以完成电极组装。

本实施例的用于渗滤液处理的新型一体式微生物燃料电池采用一体式单膜微生物燃料电池来处理废水，通过采用构建两个原电池的方法，使用阳离子交换膜4和挡板5依次连接两个原电池，使原电池一号的产物作为原电池二号的底物，末端采用低氧曝气和内回流使得体系中亚硝酸盐含量较为充足，满足同步厌氧氨氧化和厌氧甲烷反硝化过程的实现，并且甲烷转化成的二氧化碳还可以作为后续硝化细菌的碳源。其中，原电池二号利用挡板5代替离子交换膜实现质子随反应器流态传递，利用厌氧一号阳极室1-厌氧一号阴极室8-厌氧甲烷反硝化二号阳极室10-厌氧氨氧化室11-厌氧甲烷反硝化二号阴极室13-部分亚硝化反应室15的合理次序，在无外部管路及回流泵的条件下完成废水的处理，同时针对废水中含有的重金属离子，也具有成为微生物燃料电池阴极电子受体的潜力，可以同步实现回收渗滤液浓缩液中重金属的功能。

具体的，厌氧一号阳极室1和厌氧一号阴极室8的电极材料3富集有厌氧菌群7形成的厌氧生物膜，厌氧甲烷反硝化二号阳极室10和厌氧甲烷反硝化二号阴极室13的电极微生物采用培养的厌氧甲烷反硝化菌群9进行挂膜培养，厌氧氨氧化室11的填料采用厌氧氨氧化菌群12进行挂膜培养，亚硝化反应室15 的填料采用硝化系统的活性污泥进行分离培养。

本实施例中，电极板微生物的接种污泥来自渗滤液处理厂中的厌氧反应器的污泥，原电池一号采用人工配水驯化5周，添加矿物和补充微生物生长所需要的营养物质，将装置好的电极置于驯化好的污泥中富集4周，形成厌氧的生物膜，最后将生物膜富集之后的电极材料3分别组装到对应的电极室中；原电池二号的电极微生物，采用培养的厌氧甲烷反硝化菌群9进行挂膜培养，厌氧氨氧化填料采用厌氧氨氧化菌群12进行挂膜培养；部分硝化反硝化填料采用硝化系统的活性污泥进行分离培养，适当加羟胺快速促进其部分反硝化过程的实现。

具体的，厌氧一号阳极室1、厌氧一号阴极室8、厌氧甲烷反硝化二号阳极室10、厌氧氨氧化室11、厌氧甲烷反硝化二号阴极室13和亚硝化反应室15共同构成反应器，反应器外设置有主体设备，主体设备采用有机玻璃构成且整体呈长方体，反应器整体使用配有蝴蝶夹的螺杆相连并采用硅胶垫密封。其中，反应器采用恒定电阻电路启动，第一电阻和第二电阻均为750Ω的电阻。

本实施例中，反应器采用恒定电阻电路启动，在两个阴极和阳极之间各外接一个750Ω的电阻，装置整体置于30℃恒温箱中启动和运行，启动期采用序批示的运行方式，阳极室和阴极室的基质与生物膜富集阶段厌氧污泥14和硝化污泥用的培养基质相同，基质现配现用，每次使用前，阳极液和阴极液需要同20mi n氮气去除氧气，每一个周期结束后，更换阳极液和阴极液；当最大输出电压在连需三个周期内基本相同时，视为反应器启动完成。污水通过蠕动泵进入阳极室，根据水质控制水利停留时间进水依次流入各个反应室内，在整体运行过程中，通过调节流量计控制进水的流量。

具体的，厌氧一号阳极室1和厌氧一号阴极室8的尺寸均为120mm×85mm ×110mm，厌氧甲烷反硝化二号阳极室10的尺寸为80mm×85mm×140mm，厌氧氨氧化室11的尺寸为80mm×85mm×104mm，厌氧甲烷反硝化二号阴极室13的尺寸为80mm×85mm×134mm，亚硝化反应室15的尺寸为60mm×85mm×110mm。

具体的，溢流通道6的宽度为5mm，回流管道的宽度为6mm。

本发明的用于渗滤液处理的新型一体式微生物燃料电池采用挡板替代价格昂贵的离子交换膜，更具有经济价值，其电极材料经济实惠，便于实际的应用；通过在厌氧氧化区设置阳离子交换膜和外加电极，实现厌氧产电的同时使产生的甲烷气体更集中于厌氧一号阴极室内，以便后续甲烷的利用，利用厌氧氨氧化和甲烷以及末端的低氧曝气使得原电池二号内实现氨氮、硝酸盐、亚硝酸盐和甲烷共存的局面，实现将含氮化合物转化为氮气的同时，将温室气体甲烷转化为二氧化碳并同步产生电能的过程。相比于传统的生物方法，微生物燃料电池在去除有机物和氨氮过程中能回收电能，电子利用率高，显著降低污染物处理成本，实现资源的回收利用和无害化排放，同时针对废水中的重金属离子和新型污染物的去除也有较好的效果，具有低投资、低操作成本以及结构紧凑的优势。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于渗滤液处理的一体式微生物燃料电池，其特征在于：包括依次设置的厌氧一号阳极室、厌氧一号阴极室、厌氧甲烷反硝化二号阳极室、厌氧氨氧化室、厌氧甲烷反硝化二号阴极室和亚硝化反应室，所述厌氧一号阳极室左侧设置有进水口，所述厌氧一号阳极室与所述厌氧一号阴极室之间通过阳离子交换膜进行电极分区，所述厌氧一号阴极室与所述厌氧甲烷反硝化二号阳极室之间通过挡板实现质子随反应器流态传递，所述厌氧甲烷反硝化二号阳极室与所述厌氧氨氧化室之间、所述厌氧氨氧化室与所述厌氧甲烷反硝化二号阴极室之间均通过溢流通道连接，所述亚硝化反应室内设置有微曝气系统、右侧设置有出水口且底部设置有内回流槽，所述内回流槽通过回流管道与所述厌氧甲烷反硝化二号阳极室和所述厌氧氨氧化室之间的所述溢流通道连通以为厌氧氨氧化和厌氧甲烷反硝化提供充足的电子受体，所述厌氧一号阳极室、所述厌氧一号阴极室、所述厌氧甲烷反硝化二号阳极室和所述厌氧甲烷反硝化二号阴极室的顶部均设置有电极插孔和参比电极插孔且电极材料采用碳毡类电极材料，所述厌氧一号阳极室和所述厌氧一号阴极室之间外接第一电阻，所述厌氧甲烷反硝化二号阳极室和所述厌氧甲烷反硝化二号阴极室之间外接第二电阻。

2.根据权利要求1所述的一种用于渗滤液处理的一体式微生物燃料电池，其特征在于：所述电极材料为厚度为5mm、边长为5mm的立方体。

3.根据权利要求1所述的一种用于渗滤液处理的一体式微生物燃料电池，其特征在于：所述厌氧一号阳极室和所述厌氧一号阴极室组成的原电池一号的集流体为长方形钛网笼，所述厌氧甲烷反硝化二号阳极室和所述厌氧甲烷反硝化二号阴极室组成的原电池二号的集流体为长方体钛网笼，所述厌氧氨氧化室采用多组串联的方式进行集流体构建。

4.根据权利要求3所述的一种用于渗滤液处理的一体式微生物燃料电池，其特征在于：所述原电池一号的集流体的尺寸为25mm×75mm×80mm，所述原电池二号的集流体的尺寸为50mm×75mm×80mm，所述厌氧氨氧化室每一小单元的集流体的大小为5mm×75mm×80mm。

5.根据权利要求3所述的一种用于渗滤液处理的一体式微生物燃料电池，其特征在于：所述电极材料紧密堆积于钛网笼，并用直径为1mm的钛丝将所述电极材料与所述钛网笼相连，以完成电极组装。

6.根据权利要求1所述的一种用于渗滤液处理的一体式微生物燃料电池，其特征在于：所述厌氧一号阳极室和所述厌氧一号阴极室的电极材料富集有厌氧菌群形成的厌氧生物膜，所述厌氧甲烷反硝化二号阳极室和所述厌氧甲烷反硝化二号阴极室的电极微生物采用培养的厌氧甲烷反硝化菌群进行挂膜培养，所述厌氧氨氧化室的填料采用厌氧氨氧化菌群进行挂膜培养，所述亚硝化反应室的填料采用硝化系统的活性污泥进行分离培养。

7.根据权利要求1所述的一种用于渗滤液处理的一体式微生物燃料电池，其特征在于：所述厌氧一号阳极室、所述厌氧一号阴极室、所述厌氧甲烷反硝化二号阳极室、所述厌氧氨氧化室、所述厌氧甲烷反硝化二号阴极室和所述亚硝化反应室共同构成反应器，所述反应器外设置有主体设备，所述主体设备采用有机玻璃构成且整体呈长方体，所述反应器整体使用配有蝴蝶夹的螺杆相连并采用硅胶垫密封。

8.根据权利要求7所述的一种用于渗滤液处理的一体式微生物燃料电池，其特征在于：所述反应器采用恒定电阻电路启动，所述第一电阻和所述第二电阻均为750Ω的电阻。

9.根据权利要求1所述的一种用于渗滤液处理的一体式微生物燃料电池，其特征在于：所述厌氧一号阳极室和所述厌氧一号阴极室的尺寸均为120mm ×85mm×110mm，所述厌氧甲烷反硝化二号阳极室的尺寸为80mm×85mm×140mm，所述厌氧氨氧化室的尺寸为80mm×85mm×104mm，所述厌氧甲烷反硝化二号阴极室的尺寸为80mm×85mm×134mm，所述亚硝化反应室的尺寸为60mm×85mm×110mm。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的一种用于渗滤液处理的一体式微生物燃料电池，其特征在于：所述溢流通道的宽度为5mm，所述回流管道的宽度为6mm。

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