CN206210933U - 人工湿地燃料电池以及餐厨垃圾压缩水的净化系统 - Google Patents

人工湿地燃料电池以及餐厨垃圾压缩水的净化系统 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了人工湿地燃料电池以及餐厨垃圾压缩水的净化系统。该一种人工湿地燃料电池，包括阳极室和阴极室，所述阳极室设有由污泥与活性炭混合物填充的阳极填充层，生物阳极设置于阳极填充层内，所述阴极室设有由鹅卵石填充的阴极填充层，所述阴极填充层内设有生物阴极。本实用新型的人工湿地燃料电池结构简单，应用在餐厨垃圾压缩水的净化系统具有较好的净化效果。

Description

人工湿地燃料电池以及餐厨垃圾压缩水的净化系统
技术领域
本实用新型涉及生物能源和污水处理的技术领域，具体而言，涉及人工湿地燃料电池以及餐厨垃圾压缩水的净化系统。
背景技术
环境水体污染与能源危机日益严重，急需发展新型能量转换装置将污水中的可回收能量直接转化为电能。微生物燃料电池(Microbial fuel cells，MFCs或者MFC)技术为此提供了新契机。然而，目前还存在很多因素阻碍该技术往预期的方向进一步发展，如功率密度低、启动过程冗长繁琐、阳极生物膜挂膜周期长、阳极与阴极的高氧化还原性能不相匹配等，这些限制因素使得该技术很难满足人类社会高效、快速、稳定的电能输出要求。
现有技术中，对餐厨垃圾压缩水的净化的效果较差。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型一方面在于提供一种人工湿地燃料电池，该人工湿地燃料电池应用在餐厨垃圾压缩水净化具有较好的净化效果。
一种人工湿地燃料电池，包括阳极室和阴极室，所述阳极室设有由污泥与活性炭混合物填充的阳极填充层，生物阳极设置于阳极填充层内，所 述阴极室设有由鹅卵石填充的阴极填充层，所述阴极填充层内设有生物阴极。
进一步地，还包括设置于所述阳极填充层下方的由鹅卵石填充的基底层。
进一步地，所述阳极填充层的上方设有植被层。
进一步地，所述阴极室和阳极室之间设有金属网。
进一步地，所述基底层和阳极填充层之间设有碳毡分隔层。
进一步地，所述阳极填充层的厚度为30～50cm。
进一步地，所述金属网的厚度为0.5～1.5mm。
进一步地，所述碳毡分隔层的厚度为3～7mm。
本实用新型另一方面在于提供一种餐厨垃圾压缩水的净化系统，该净化系统对餐厨垃圾压缩水具有较好的净化效果。
一种餐厨垃圾压缩水的净化系统，包括如上述述的人工湿地燃料电池。
进一步地，还包括上流式厌氧反应床和厌氧-好氧协同处理装置，所述上流式厌氧反应床连接所述厌氧-好氧协同处理装置，所述厌氧-好氧协同处理装置连接所述人工湿地燃。
本实用新型的的人工湿地燃料电池结构简单，应用在餐厨垃圾压缩水的净化系统具有较好的净化效果。
附图说明
图1为人工湿地燃料电池的结构示意图。
主要元件符号说明：
100 人工湿地燃料电池
20 阳极室
21 阳极填充层
22 生物阳极
23 进水口
30 阴极室
31 阴极填充层
32 生物阴极
33 泵
34 出水口
40 金属网
50 基底层
60 碳毡分隔层
70 植被层。
具体实施方式
为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对网络变压器进行更全面的描述。附图中给出了网络变压器的首选实施例。但是，网络变压器可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对网络变压器的公开内容更加透彻全面。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本 实用新型的限制。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
在本实用新型的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1。本实用新型实施例的人工湿地燃料电池100可以为方形或大致方形，其尺寸(长、宽、高)可以为135mm×95mm×90mm。
上述人工湿地燃料电池100可以包括阳极室20和阴极室30，该阳极室20设有由污泥与活性炭混合物填充的阳极填充层21，该生物阳极22设置于阳极填充层21内，该阴极室30设有由鹅卵石填充的阴极填充层31，该阴极填充层31内设有生物阴极32。
阳极填充层21的厚度可以为30～50cm，例如30cm、32cm、35cm、40cm、45cm、48cm或50cm，优选为40cm等。活性炭的填充密度可以为0.3～0.7g/cm3，例如0.3g/cm3、0.35g/cm3、0.40g/cm3、0.50g/cm3、0.55g/cm3、0.60g/cm3、0.65g/cm3、0.68g/cm3或0.70g/cm3等，优选为0.50g/cm3。至于污泥与活性炭混合物二者的混合比例可根据实际需要作常规调整。
阴极填充层31的厚度可以为30～50cm，例如30cm、32cm、35cm、40cm、45cm、48cm或50cm，优选为40cm等。阴极填充层31的鹅卵石的粒度直径可以为8～12mm，优选为10mm。阴极可以为于阴极填充层31的中央位置。
还可设置为阴极填充层31供气的泵33，以电子供体，加速电池的反应速率。供气的速率可以为15～25L/min，例如15L/min、17L/min、18L/min、20L/min、21L/min、23L/min、24L/min或25L/min，优选为20L/min等。
在阴极室30和阳极室20之间还可以设有金属网40，基地层和阳极填充层21之间设有碳毡分隔层60。金属网40的厚度可以为0.5～1.5mm，优选为1mm。碳毡分隔层60的厚度可以为3～7mm，优选为5mm。
还可以包括设置于所述阳极填充层21下方的由鹅卵石填充的基底层50。基底层50的厚度可以为5～15cm，例如5cm、6cm、8cm、10cm、12cm、15cm，优选为10cm等。基底层50的鹅卵石直径可以为15～25mm，优选为20mm。
在阳极填充层21的上方设有植被层70。植被层70可以为栽种水葫芦的植被层70，当然还可以为栽种美人蕉的植被层70或者栽种水浮莲的植被层70。植被层的栽种密度为20株/m2。
阴极室30可设有出水口34，以使得经过处理的压缩水排出。出水口34可位于阴极室30的顶部。
阳极室20可设有进水口23，以使得待处理的水进入。进水口23可位于阳极室20的底部。
本实用新型人工湿地燃料电池可以应用在对餐厨垃圾压缩水的处理。这里，餐厨垃圾压缩水是指餐厨垃圾液体经过油水分离后所剩下的水由脱 水设备(例如脱水机)处理得到的水。
人工湿地燃料电池处理垃圾压缩水的方式为本领域技术人员根据人工湿地燃料电池的结构即可想象到，即将压缩水通入人工湿地燃料电池的阳极室和阳极室即可。具体地，餐厨垃圾压缩水从基底层进入，然后从下部向上部渗透，在微生物将化学能转化成电能的过程中，压缩水中的有机成分被微生物分解，以净化，净化后的水从顶部的植被层出来。
本实用新型的餐厨垃圾压缩水的净化系统包括上述的人工湿地燃料电池。
为了降低人工湿地燃料电池对人工湿地燃料电池对餐厨垃圾压缩水的净化处理的负荷，上述净化系统还可包括上流式厌氧反应床和厌氧-好氧协同处理装置。该上流式厌氧反应床连接厌氧-好氧协同处理装置，该厌氧-好氧协同处理装置连接人工湿地燃料电池。
这里，上流式厌氧反应床即上流式厌氧污泥床反应器(Up-flow AnaerobicSludge Bed/Blanket，UASB)。其可由污泥反应区、气液固三相分离器(包括沉淀区)和气室三部分组成。在底部反应区内存留大量厌氧污泥，具有良好的沉淀性能和凝聚性能的污泥在下部形成污泥层。要处理的污水从厌氧污泥床底部流入与污泥层中污泥进行混合接触，污泥中的微生物分解污水中的有机物，把它转化为沼气。沼气以微小气泡形式不断放出，微小气泡在上升过程中，不断合并，逐渐形成较大的气泡，在污泥床上部由于沼气的搅动形成一个污泥浓度较稀薄的污泥和水一起上升进入三相分离器，沼气碰到分离器下部的反射板时，折向反射板的四周，然后穿过水层进入气室，集中在气室沼气，用导管导出，固液混合液经过反射进入三相分离器的沉淀区，污水中的污泥发生絮凝，颗粒逐渐增大，并在重力作用下沉降。沉淀至斜壁上的污泥沿着斜壁滑回厌氧反应区内，使反应区 内积累大量的污泥，与污泥分离后的处理出水从沉淀区溢流堰上部溢出，然后排出污泥床。
这里，厌氧-好氧协同处理装置是指能实施厌氧-好氧协同作用(即A/O)的装置。此处，A/O工艺法，也叫厌氧好氧工艺法。A就是厌氧段，主要用于脱氮除磷；O即好氧段，主要用于去除水中的有机物。它除了可去除废水中的有机污染物外，还可同时去除氮、磷，对于高浓度有机废水及难降解废水，在好氧段前设置水解酸化段，可显著提高废水可生化性。
可以理解的是，为了进一步降低前端降低污染物负荷，还可在厌氧-好氧协同处理装置的处理前设置油水分离装置，油水分离装置可采用重力-气浮式油水分离设备。此处，重力-气浮式油水分离设备可采用公知的形式，或者如中国专利CN203247159U所述的重力-气浮式油水分离设备。
上述的生物阳极，较好地，可以由包括以下步骤的制备方法所制备，该步骤如下：
将碳材料的阳极使用酸浸渍；
将经浸渍后的阳极施加0.1～0.3V的恒定电压，或者施加0.5～5A/cm2恒电流。具体地，恒定电压例如可以为0.1V、0.15V、0.2V、0.25V、0.28V或0.30V等；恒定电流密度例如可以为0.5A/cm2、0.55A/cm2、0.60A/cm2、0.8A/cm2、1A/cm2、2A/cm2、2.5A/cm2、3A/cm2、4A/cm2、4.5A/cm2或5A/cm2等。此处，A/cm2表示电流密度。
上述施加恒定电压或者施加恒定电流的过程为使得生物阳极预制。该预制能起到如下几个方面的作用：
首先，能够明显地提升阳极的电容性和峰值电流；
再者，可以降低电池的内阻，主要是通过促进阳极挂膜来降低阳极与溶液的固液相之间传质阻力，提升电池的效率；
另者，可以促进微生物在阳极表面的附着和生长，提升阳极的生物量。固体阳极表面附着的的生物膜是加速电子从基质转移到阳极材料表面的主要载体。恒压预制更有利于形成稳定、密实、成熟的阳极生物膜；
又者，预制还可实现MFC即时启动，避免反复更换培养液的缓慢挂膜过程，稳定后的最大输出电压随着预制时间的延长而逐步增大。恒流预制规律与恒压类似，但过大的电流密度会阻碍MFC的启动过程；
再者，有利于形成具有稳定电化学催化能力的阳极生物膜，在较低的阳极电流下，阳极生物膜中会形成死-活双层细胞膜结构，生物膜生长过程中，负责产电的活细胞层会达到一个相对固定的厚度，死细胞则会继续在电极表面累积，作为电子传递的中介体。
另外，预制能够通过提高阳极性能来有效地提高MFC输出功率密度，且该高功率密度可在极短的时间内实现，可实现MFC的即时启动和高功率密度。
在恒定电压下预制的时间较好地为1～9d，例如1d、1.5d、2d、4d、5d、7d、8d或9d等；在恒定电流下预制的时间可为2～6d，例如2d、3d、5d、6d、7d或8d等。注意，这里“d”指天数，即1d为24h。
预制的温度可根据实际需要作调整，例如预制的温度可在室温左右进行，例如预制的温度可以为30℃。
容易理解的是，预制在置入驯化液中进行。较好地，驯化液可以为污泥营养液和葡萄糖营养液的混合物。二者混合的比例可参考性地为体积比为1：1，二者的浓度可以均为污泥营养液和葡萄糖营养液1g·L-1。此处，术语“驯化液”即微生物驯化液，是指用来驯化微生物的液体，微生物驯化是指在细菌培养基中加入靶向环境的材料或基质，让细菌逐渐适应并依赖靶向环境的材料或基质，从而达到改善或改变环境中的有效成分。
污泥营养液可在常规的条件下进行预培养，预培养的时间可以为4～7d，例如可以为4d、5d、6d、7d等。可提供一种污泥营养液的组成，其可以包含0.8～1.2g·L-1葡萄糖、0.06～1g·L-1NH4Cl、0.02～0.06g·L-1KH2PO4、0.40～0.56g·L-1酵母膏和3～7mL·L-1微量元素溶液，优选为其可以包含1g·L-1葡萄糖、0.08g·L-1NH4Cl、0.04g·L-1KH2PO4、0.48·L-1酵母膏和5mL·L-1微量元素溶液。
葡萄糖营养液可在常规的方式来获得可提供一种葡萄糖营养液的组成，即0.8～1.2g·L-1葡萄糖，3～7mL·L-1维他命溶液，10～15mL·L-1微量元素和40～60mmol·L-1PBS溶液(磷酸盐缓冲溶液)。其中，PBS溶液的组分为：0.25～0.35g·L-1NH4Cl，2.0～3.0g·L- 1NaH2PO4·H2O，0.55～0.60g·L-1Na2HPO4和0.10～0.16g·L-1KCl。优选地，葡萄糖营养液包含1g·L-1葡萄糖，5mL·L-1维他命溶液，12.5mL·L-1微量元素和50mmol·L-1PBS溶液，其中PBS溶液的组分为：0.31g·L-1NH4Cl，2.452g·L-1NaH2PO4·H2O，0.576g·L-1Na2HPO4和0.13g·L-1KCl。
上述酸浸渍的目的是使得生物阳极活化。可采用本领域公知的强酸，例如盐酸、硫酸、硝酸以及任意组合。优选地，可采用稀硝酸，即体积比为2：3～3：2的浓硝酸和水的混合液，此处，浓硝酸是指质量分数约为65％的硝酸。浸渍的时间是6～10h，例如6h、7h、8h、9h或10h。
至于浸渍可在室温下进行，或者其它公知的温度，没有特别的限定。
上述碳材料的阳极可为石墨、石墨烯、碳纳米管等，优选为碳毡。此出，碳毡是指碳纤维制成的毡。碳毡的阳极具有较好的导电性，吸附容量大，脱附速度快。
在浸渍之后还可包括由先至后包括清洗和烘干。清洗可采用磷酸盐缓冲溶液，清洗的次数以清洗至pH接近pH＝7.0。烘干可在120℃烘箱内干 燥12小时。
本实用新型的生物阳极可作为微生物燃料电池的阳极。将上述生物阳极构成微生物燃料电池的过程的构成过程可以为：在单室无膜空气阴极反应器，反应器的主体结构是边长为2.5cm，长度为3cm的横向长方体，有效容积约为18.75mL，电极间距3cm，阴极开半径为1cm的圆孔，阴极面积均为3.14cm2，预制生物阳极作为电池的阳极，防水碳布上负载Pt/C催化剂(10％，0.5mg/cm2Pt)作为阴极，组装好后往反应器内直接注入上述葡萄糖营养液(不再添加污泥上清液)，在30℃条件下运行。
本实用新型还提供一种包含上述生物燃料电池的人工湿地燃料电池。
本实用新型未述及之处适用于现有技术。
由于本实用新型中所涉及的各工艺参数的数值范围在上述实施例中不可能全部体现，但本领域的技术人员完全可以想象到只要落入上述该数值范围内的任何数值均可实施本实用新型，当然也包括若干项数值范围内具体值的任意组合。此处，出于篇幅的考虑，省略了给出某一项或多项数值范围内具体值的实施例，此不应当视为本实用新型的技术方案的公开不充分。
申请人声明，本实用新型通过上述实施例来说明本实用新型的详细工艺设备和工艺流程，但本实用新型并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本实用新型必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本实用新型的任何改进，对本实用新型产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式选择等，落在本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种人工湿地燃料电池，其特征在于，包括阳极室和阴极室，所述阳极室设有由污泥与活性炭混合物填充的阳极填充层，生物阳极设置于阳极填充层内，所述阴极室设有由鹅卵石填充的阴极填充层，所述阴极填充层内设有生物阴极。
2.根据权利要求1所述的人工湿地燃料电池，其特征在于，还包括设置于所述阳极填充层下方的由鹅卵石填充的基底层。
3.根据权利要求1所述的人工湿地燃料电池，其特征在于，所述阳极填充层的上方设有植被层。
4.根据权利要求1所述的人工湿地燃料电池，其特征在于，所述阴极室和阳极室之间设有金属网。
5.根据权利要求2所述的人工湿地燃料电池，其特征在于，所述基底层和阳极填充层之间设有碳毡分隔层。
6.根据权利要求1所述的人工湿地燃料电池，其特征在于，所述阳极填充层的厚度为30～50cm。
7.根据权利要求4所述的人工湿地燃料电池，其特征在于，所述金属网的厚度为0.5～1.5mm。
8.根据权利要求5所述的人工湿地燃料电池，其特征在于，所述碳毡分隔层的厚度为3～7mm。
9.一种餐厨垃圾压缩水的净化系统，其特征在于，包括如权利要求1～8任意一项所述的人工湿地燃料电池。
10.根据权利要求9所述的净化系统，其特征在于，还包括上流式厌氧反应床和厌氧-好氧协同处理装置，所述上流式厌氧反应床连接所述厌氧-好氧协同处理装置，所述厌氧-好氧协同处理装置连接所述人工湿地燃 料电池。
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