CN114920354B - 一种微生物燃料电池堆处理有机废水的反应器及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于污水净化与废水资源化利用的技术领域，具体公开了一种微生物燃料电池堆处理有机废水的反应器及方法，包括厌氧室阳极室一和阳极室二、缺氧室以及好氧室阴极室一和阴极室二，可构成一个完整的微生物燃料电池堆系统。本发明以自溶解氧自流式微生物燃料电池工艺作为新型生物处理技术，达到在处理有机废水的同时产生电能的目的。本发明将微生物燃料电池有效利用，并与废水自流、跌水曝气等工艺联合起来，在工艺原理和反应器结构上表现出了明显优势；在提高有机废水处理质量，产生电能等方面，为微生物燃料电池耦合工艺提供了新思路，为解决我国能源短缺和水污染问题寻找一条新的技术途径。

Description

一种微生物燃料电池堆处理有机废水的反应器及方法
技术领域
本发明属于污水净化与废水资源化利用的技术领域，具体涉及一种微生物燃料电池堆处理有机废水的反应器及方法。
背景技术
随着现代社会的不断发展，每年废水的排放量也在不断地增加，而处理有机废水需要消耗的能量是巨大的。与此同时，机遇与危机共存，污水中含有的大量有机物可被生物降解，而其中蕴藏的能量相当可观。通过计算，1kg的化学需氧量(COD)可以产生3.86kWh的能量。从理想的角度来说，如果这些能量被利用，可以在不耗费其他能量的情况下有效处理有机废水，并向外输出多余的电能。
近年来，利用微生物电化学的方法处理污水已经在水处理行业中得到了广泛的研究。微生物燃料电池(MFC)是一种在小规模产电领域最有前景的技术，它可利用废水中含有的大量有机污染物为微生物提供足够的能量和电子。在污水处理领域，MFC和成熟的处理工艺结合，不仅能有效的去除废水中的小分子有机物，分解复杂的大分子有机物，还可以净化氮、硫等，同时产生电能。跌水曝气技术的应用有利于节约曝气装置消耗的电能，使水中含有更多的溶解氧。
然而，在目前的水处理工艺中，多为利用MFC工艺单独处理有机废水。
发明内容
本发明针对上述现有技术存在的不足，提供一种微生物燃料电池堆处理有机废水的反应器及方法，采用自溶解氧自流的方式，利用MFC耦合厌氧、缺氧、跌水曝气、废水自流等工艺，实现了有机废水中有机物的去除，并实现微生物产电资源的回收。
本发明的第一个目的在于，提供一种微生物燃料电池堆处理有机废水的反应器，包括阳极室一，所述阳极室一的一侧设有阴极室一，所述阴极室一的上部设有缺氧室，所述缺氧室的宽度小于阴极室一的宽度，所述阳极室一和缺氧室相邻的侧板上部开设有相连通的溢流孔一；所述缺氧室位于阴极室一内侧的侧板上开设有溢流台阶，所述阴极室一通过泵连接有阳极室二，所述阳极室二的一侧设有阴极室二，所述阴极室二和阳极室二相邻的侧板上部开设有相连通的溢流孔二；所述阳极室一和阳极室二上均设有盖板，所述盖板上安装有阳极电极，所述阳极室一和阳极室二内填充有活性炭生物电极；所述阴极室一和阴极室二内均设有阴极电极，所述阳极室一和阳极室二的两个阳极电极通过导线串联接入外接电阻并连接由导线串联的两个阴极电极。
通过采用上述技术方案，构成了一个完整的微生物燃料电池堆系统，需要处理的有机废水依次经过厌氧室阳极室一、缺氧室、好氧室阴极室一、厌氧室阳极室二以及好氧室阴极室二的处理，可对有机污染物进行有效脱除；微生物燃料电池堆系统的阴极室一和阴极室二，作为曝气室自能产电的同时，对有机物进行氧化；厌氧室中的有机废水溢出到好氧曝气室阴极室一中，这一有机废水的跌落过程会吸收空气中的氧气，从而大大提高水中的氧气含量，对之后降解有机污染物需要氧气的反应提供了一定的条件，节约了曝气时所需要的能量。本发明不仅有效提高了有机废水中的有机物去除效率，同时利用微生物自身代谢作用氧化有机物产生电能，节约了成本，实现了废水中有机质的去除。
进一步，所述缺氧室内填充有火山岩滤料，所述阴极室二内也填充有火山岩滤料。
通过采用上述技术方案，火山岩滤料具有丰富孔隙，具有吸附功能，可以物理吸附有机废水中的有机污染物、氨、氮、磷等，表面电荷有利于微生物附着，调节改善亲水性。
进一步，所述缺氧室内靠近阳极室一的一侧设有折流板一，所述折流板一的顶部不低于溢流孔一的顶部，所述折流板一的底部与缺氧室的底部之间留有距离。
通过采用上述技术方案，阳极室一内的有机废水从溢流孔一流入缺氧室内时，由于折流板一与缺氧室开设有溢流孔一的侧板之间形成折流腔，有机废水从溢流孔一流下先进入折流腔，再经过折流板一的底部在缺氧室内从下往上填充，能够使有机废水更好地与火山岩滤料接触，充分发挥其吸附功能，提高对有机废水的处理效果。
进一步，所述缺氧室的两个侧板上设有挡板，两个所述挡板与开设有溢流台阶的侧板构成“凵”字型结构。
通过采用上述技术方案，挡板可以起到引流的作用，使有机废水由缺氧室经溢流台阶跌落至阴极室一的过程中，尽可能地流入缺氧室下方的阴极室一内。
进一步，所述阳极室二内靠近阴极室二的一侧设有折流板二，所述折流板二的顶部不低于溢流孔二的顶部，所述折流板二的底部与阳极室二的底部之间留有距离。
通过采用上述技术方案，阳极室二内填充的活性炭生物电极可吸附产电菌等微生物，折流板二与阳极室二开设有溢流孔二的侧板之间可形成折流腔，阳极室二内的有机废水需要先经过折流板二的底部进入折流腔内，才能通过溢流孔二流入阴极室二内，能够使有机废水更好地与活性炭生物电极接触，充分发挥其吸附功能，提高对有机废水的处理效果。
进一步，所述活性炭生物电极在阳极室一和阳极室二内的填充率均为50％～70％。
通过采用上述技术方案，可以很好地发挥活性炭生物电极吸附产电菌等微生物的效果。
进一步，两个阳极电极均为碳棒电极，两个阴极电极均为碳毡电极。
通过采用上述技术方案，两个碳棒电极作为微生物电池堆的共同阳极，并通过导线串联；两个碳毡电极作为电解系统的共同阴极，并由导线串联。
本发明的第二个目的在于，提供一种使用上述反应器的微生物燃料电池堆处理有机废水的方法，包括如下步骤：
1)产电微生物培养
(1)将厌氧污泥与活性炭生物阳极混合培养一周，使微生物完全附着在活性炭表面，培养期间加入人工配置的营养基；
(2)将培养完毕的活性炭生物阳极放入微生物燃料电池堆系统的阳极室一和阳极室二中，并分别插入阳极电极，同时继续加入步骤(1)中的营养基；
(3)将曝气装置加入微生物燃料电池堆系统的阴极室一及阴极室二中，并分别放入阴极电极，且阴极电极要低于液面位置；
(4)通过不断换水驯化，直到微生物燃料电池堆系统的电压稳定，获得最适宜的产电微生物；
2)有机废水处理
将需要处理的有机废水放入阳极室一中，通过阳极室一后，经溢流孔一流入缺氧室中，缺氧室充满有机废水后，废水由高处跌入阴极室一中；有机废水通过泵从阴极室一进入到阳极室二中，再通过阳极室二上部的溢流孔二进入到阴极室二中；
3)测定微生物燃料电池堆的电压
两个阳极电极用导线进行连接，测量微生物燃料电池堆的阳极电压；
两个阴极电极作为微生物燃料电池堆的共同阴极并通过导线连接，两个阳极电极作为微生物燃料电池堆的共同阳极并通过导线进行连接，将共同阴极和共同阳极通过导线连接并接入外接电阻，通过电势采集器测量微生物燃料电池堆的系统电压。
本发明通过培养合适的微生物作为微生物燃料电池堆系统的供电来源，可以有效降低有机废水处理系统所需要的电压，节约成本。本发明利用微生物燃料电池系统耦合厌氧、缺氧、跌水曝气、废水自流等工艺，使优劣势互补；通过微生物电化学系统的自能产电和厌氧缺氧等工艺可以有效降解有机废水中的污染物质；跌水曝气与废水自流等工艺的结合，可以减少能源的消耗。
进一步，所述培养基包括葡萄糖1000mg/L、K2HPO4·3H2O 50mg/L、NH4Cl 100mg/L、MgSO4 15mg/L、CaCl2 15mg/L以及微量元素1mg/L。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
(1)本发明构成了一个完整的微生物燃料电池堆系统，需要处理的有机废水依次经过厌氧室阳极室一、缺氧室、好氧室阴极室一、厌氧室阳极室二以及好氧室阴极室二的处理，可对有机污染物进行有效脱除；
(2)本发明微生物燃料电池堆系统的阴极室一和阴极室二，作为曝气室自能产电的同时，对有机物进行氧化；
(3)厌氧室中的有机废水溢出到好氧曝气室阴极室一中，这一有机废水的跌落过程会吸收空气中的氧气，从而大大提高水中的氧气含量，对之后降解有机污染物需要氧气的反应提供了一定的条件，节约了曝气时所需要的能量；
(4)本发明通过培养合适的微生物作为微生物燃料电池堆系统的供电来源，可以有效降低有机废水处理系统所需要的电压，节约成本；
(5)本发明利用微生物燃料电池系统耦合厌氧、缺氧、跌水曝气、废水自流等工艺，使优劣势互补；通过微生物电化学系统的自能产电和厌氧缺氧等工艺可以有效降解有机废水中的污染物质；跌水曝气与废水自流等工艺的结合，可以减少能源的消耗。
附图说明
图1为本申请实施例中反应器的结构示意图；
图2为本申请实施例中凸显缺氧室和阴极室一的结构示意图；
图3为本申请实施例中凸显阳极室二的结构示意图；
图4为微生物燃料电池堆不同测试条件下的电压变化曲线图。
附图标记说明：1、阳极室一；2、阴极室一；3、缺氧室；4、溢流孔一；5、溢流台阶；6、阳极室二；7、阴极室二；8、溢流孔二；9、盖板；10、折流板一；11、挡板；12、折流板二；13、折流腔。
具体实施方式
以下结合实例和附图1-4对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围，具体实施方式中所述的份为重量份。
实施例
本申请实施例公开一种微生物燃料电池堆处理有机废水的反应器。参照图1，反应器包括厌氧室阳极室一1和阳极室二6、缺氧室3以及好氧室阴极室一2和阴极室二7，可构成一个完整的微生物燃料电池堆系统，对有机废水中的有机质进行有效去除。
参照图1和图2，阴极室一2位于阳极室一1的一侧，缺氧室3位于阴极室一2的上部，且缺氧室3的宽度小于阴极室一2的宽度。阳极室一1和缺氧室3相邻的侧板上部开设有相连通的溢流孔一4，需要处理的有机废水放入阳极室一1中，通过阳极室一1后，可经溢流孔一4流入缺氧室3中。
参照图1和图2，缺氧室3位于阴极室一2内侧的侧板上开设有溢流台阶5，缺氧室3充满有机废水后，废水可由高处的溢流台阶5跌入阴极室一2中。
参照图1和图2，阴极室一2和阳极室二6通过蠕动泵连接，阴极室一2中的有机废水可通过蠕动泵进入到阳极室二6中。阴极室二7位于阳极室二6的一侧，阴极室二7和阳极室二6相邻的侧板上部开设有相连通的溢流孔二8，阳极室二6内的废水可通过溢流孔二8进入到阴极室二7中。
参照图1和图3，阳极室一1和阳极室二6上均盖设有盖板9，以保证阳极室一1和阳极室二6的厌氧环境。盖板9上开设有安装孔，安装孔内安装有阳极电极，两个阳极电极均为碳棒电极。阳极室一1和阳极室二6内填充有活性炭生物电极，且活性炭生物电极在阳极室一1和阳极室二6内的填充率均为70％，可以很好地发挥活性炭生物电极吸附产电菌等微生物的效果。
阴极室一2和阴极室二7内均设有阴极电极，两个阴极电极均为碳毡电极。阳极室一1和阳极室二6的两个阳极电极通过导线串联接入外接电阻并连接由导线串联的两个阴极电极，从而构成一个完整的微生物燃料电池堆系统。需要处理的有机废水依次经过厌氧室阳极室一1、缺氧室3、好氧室阴极室一2、厌氧室阳极室二6以及好氧室阴极室二7的处理，可对有机污染物进行有效脱除。
缺氧室3和阴极室二7内均填充有火山岩滤料，具有吸附功能，可以吸附有机废水中的有机污染物、氨、氮、磷等，还可以调节PH值。
参照图1和图2，缺氧室3内靠近阳极室一1的一侧固设有折流板一10，折流板一10的顶部高于溢流孔一4的顶部，且折流板一10的底部与缺氧室3的底部之间留有距离。阳极室一1内的有机废水从溢流孔一4流入缺氧室3内时，折流板一10与缺氧室3开设有溢流孔一4的侧板之间形成折流腔13，有机废水从溢流孔一4流下先进入折流腔13，再经过折流板一10的底部在缺氧室3内从下往上填充，能够使有机废水更好地与火山岩滤料接触，充分发挥其吸附功能，提高对有机废水的处理效果。
参照图1和图2，缺氧室3的两个侧板上固设有挡板11，且两个挡板11与开设有溢流台阶5的侧板构成“凵”字型结构，可实现挡板11的引流作用，使有机废水由缺氧室3经溢流台阶5跌落至阴极室一2的过程中，尽可能地流入缺氧室3下方的阴极室一2内。
参照图1和图3，阳极室二6内靠近阴极室二7的一侧固设有折流板二12，折流板二12的顶部高于溢流孔二8的顶部，且折流板二12的底部与阳极室二6的底部之间留有距离。阳极室二6内填充的活性炭生物电极可吸附产电菌等微生物，折流板二12与阳极室二6开设有溢流孔二8的侧板之间也形成折流腔13，阳极室二6内的有机废水需要先经过折流板二12的底部进入折流腔13内，才能通过溢流孔二8流入阴极室二7内，能够使有机废水更好地与活性炭生物电极接触，充分发挥其吸附功能，提高对有机废水的处理效果。
本申请实施例还公开一种微生物燃料电池堆处理有机废水的方法，需要使用上述反应器，具体包括如下步骤：
1)产电微生物培养
(1)将厌氧污泥与活性炭生物阳极混合培养一周，使微生物完全附着在活性炭表面，培养期间加入人工配置的营养基；
(2)将培养完毕的活性炭生物阳极放入微生物燃料电池堆系统的阳极室一1和阳极室二6中，并分别插入阳极电极，同时继续加入步骤(1)中的营养基，培养基更换频率为24小时一次；
(3)将曝气装置加入微生物燃料电池堆系统的阴极室一2及阴极室二7中，并分别放入阴极电极，且阴极电极要低于液面位置；
(4)通过不断换水驯化，直到微生物燃料电池堆系统的电压稳定，获得最适宜的产电微生物；
2)有机废水处理
将需要处理的有机废水放入阳极室一1中，通过阳极室一1后，经溢流孔一4流入缺氧室3中，缺氧室3充满有机废水后，废水由高处跌入阴极室一2中；有机废水通过泵从阴极室一2进入到阳极室二6中，再通过阳极室二6上部的溢流孔二8进入到阴极室二7中；
3)测定微生物燃料电池堆的电压
两个阳极电极用导线进行连接，测量微生物燃料电池堆的阳极电压；
两个阴极电极作为微生物燃料电池堆的共同阴极并通过导线连接，两个阳极电极作为微生物燃料电池堆的共同阳极并通过导线进行连接，将共同阴极和共同阳极通过导线连接并接入外接电阻，进行有机物降解和微生物自能产电实验，并通过电势采集器测量微生物燃料电池堆的系统电压。
其中，培养基包括葡萄糖1000mg/L、K2HPO4·3H2O 50mg/L、NH4Cl 100mg/L、MgSO415mg/L、CaCl2 15mg/L以及微量元素1mg/L。
对比例1
一种微生物燃料电池堆处理有机废水的方法，参照实施例，与实施例的区别在于，未在阴极室一及阴极室二中使用曝气装置。
对比例2
一种微生物燃料电池堆处理有机废水的方法，参照实施例，与实施例的区别在于，两个阳极电极用导线进行连接，并用饱和甘汞电极作为参比电极测量微生物燃料电池堆的阳极电压。
测试：
采用电压表测试实施例与对比例1-2微生物燃料电池堆的电压变化，结果如图4所示，其中，微生物燃料电池堆系统的曲线对应于实施例，微生物燃料电池堆系统未曝气的曲线对应于对比例1，微生物燃料电池堆系统阳极的曲线对应于对比例2。
从图4中可以看出，对比例1在未添加曝气装置的情况下，微生物燃料电池堆的系统电压小于实施例添加曝气后的系统电压，而对比例2中微生物燃料电池堆的阳极电压远小于系统电压。由此可知，曝气装置的添加会对系统电压产生影响，这说明微生物燃料电池堆的阴极中氧气的添加会增加电子的转移，从而导致系统电压的升高。
本发明通过培养合适的微生物作为微生物燃料电池堆系统的供电来源，可以有效降低有机废水处理系统所需要的电压，节约成本。
本发明利用微生物燃料电池系统耦合厌氧、缺氧、跌水曝气以及废水自流等工艺，使优劣势互补；通过微生物电化学系统的自能产电和厌氧缺氧等工艺可以有效降解有机废水中的污染物质；跌水曝气与废水自流等工艺的结合可以减少能源的消耗。随着微生物电化学系统研究的不断发展，微生物电化学系统的产电性能不断提高，会使本工艺的前景和价值大大增加。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种微生物燃料电池堆处理有机废水的反应器，其特征在于，包括阳极室一(1)，所述阳极室一(1)的一侧设有阴极室一(2)，所述阴极室一(2)的上部设有缺氧室(3)，所述缺氧室(3)的宽度小于阴极室一(2)的宽度，所述阳极室一(1)和缺氧室(3)相邻的侧板上部开设有相连通的溢流孔一(4)；所述缺氧室(3)位于阴极室一(2)内侧的侧板上开设有溢流台阶(5)，所述阴极室一(2)通过泵连接有阳极室二(6)，所述阳极室二(6)的一侧设有阴极室二(7)，所述阴极室二(7)和阳极室二(6)相邻的侧板上部开设有相连通的溢流孔二(8)；所述阳极室一(1)和阳极室二(6)上均设有盖板(9)，所述盖板(9)上安装有阳极电极，所述阳极室一(1)和阳极室二(6)内填充有活性炭生物电极；所述阴极室一(2)和阴极室二(7)内均设有阴极电极，所述阳极室一(1)和阳极室二(6)的两个阳极电极通过导线串联接入外接电阻并连接由导线串联的两个阴极电极；
所述缺氧室(3)内填充有火山岩滤料；
所述缺氧室(3)内靠近阳极室一(1)的一侧设有折流板一(10)，所述折流板一(10)的顶部不低于溢流孔一(4)的顶部，所述折流板一(10)的底部与缺氧室(3)的底部之间留有距离，所述缺氧室(3)的两个侧板上设有挡板(11)，两个所述挡板(11)与开设有溢流台阶(5)的侧板构成“凵”字型结构。
2.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述阴极室二(7)内填充有火山岩滤料。
3.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述阳极室二(6)内靠近阴极室二(7)的一侧设有折流板二(12)，所述折流板二(12)的顶部不低于溢流孔二(8)的顶部，所述折流板二(12)的底部与阳极室二(6)的底部之间留有距离。
4.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述活性炭生物电极在阳极室一(1)和阳极室二(6)内的填充率均为50％～70％。
5.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，两个阳极电极均为碳棒电极，两个阴极电极均为碳毡电极。
6.一种微生物燃料电池堆处理有机废水的方法，其特征在于，使用如权利要求1～5任一项所述的反应器，包括如下步骤：
1)产电微生物培养
(1)将厌氧污泥与活性炭生物阳极混合培养一周，使微生物完全附着在活性炭表面，培养期间加入人工配置的营养基；
(2)将培养完毕的活性炭生物阳极放入微生物燃料电池堆系统的阳极室一(1)和阳极室二(6)中，并分别插入阳极电极，同时继续加入步骤(1)中的营养基；
(3)将曝气装置加入微生物燃料电池堆系统的阴极室一(2)及阴极室二(7)中，并分别放入阴极电极，且阴极电极要低于液面位置；
(4)通过不断换水驯化，直到微生物燃料电池堆系统的电压稳定，获得最适宜的产电微生物；
2)有机废水处理
将需要处理的有机废水放入阳极室一(1)中，通过阳极室一(1)后，经溢流孔一(4)流入缺氧室(3)中，缺氧室(3)充满有机废水后，废水由高处跌入阴极室一(2)中；有机废水通过泵从阴极室一(2)进入到阳极室二(6)中，再通过阳极室二(6)上部的溢流孔二(8)进入到阴极室二(7)中；
3)测定微生物燃料电池堆的电压
两个阳极电极用导线进行连接，测量微生物燃料电池堆的阳极电压；
两个阴极电极作为微生物燃料电池堆的共同阴极并通过导线连接，两个阳极电极作为微生物燃料电池堆的共同阳极并通过导线进行连接，将共同阴极和共同阳极通过导线连接并接入外接电阻，通过电势采集器测量微生物燃料电池堆的系统电压。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，培养基包括葡萄糖1000mg/L、K2HPO4·3H2O50mg/L、NH4Cl 100mg/L、MgSO4 15mg/L、CaCl2 15mg/L以及微量元素1mg/L。
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