CN208862094U - 一种甲烷驱动的微生物脱氮除硫协同产电装置 - Google Patents

一种甲烷驱动的微生物脱氮除硫协同产电装置 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种甲烷驱动的微生物脱氮除硫协同产电装置，包括，阳极箱、阴极箱，阳极箱、阴极箱内分别设置有阳极室、阴极室，阳极室、阴极室内分别设置有第二碳纤维电刷、第一碳纤维电刷，第二碳纤维电刷、第一碳纤维电刷分别通过第二钛线、第一钛线与两条导线一端连接导电，两条导线另一端分别与外电阻两端连接导电；阳极室内填充有接种物、装填料液、高导电性轻质填料，装填料液为甲烷和无机盐；阴极室内装填有料液，料液含有硝酸盐、硫酸盐的废水或铁氰化钾、高锰酸钾其中至少一种。本实用新型能够在常温常压下将甲烷气体转化为电能，同时实现污水中硝酸盐或硫酸盐的去除。本实用新型有利于微生物燃料电池产电效能的提高和装置的放大。

Description

一种甲烷驱动的微生物脱氮除硫协同产电装置
技术领域
本实用新型涉及废水及废气同步处理及能源化的装置，特别涉及一种甲烷驱动的微生物脱氮除硫协同产电装置，属于环境保护和生物技术领域。
背景技术
甲烷厌氧氧化（Anaerobic methane oxidation，AMO）是近年来环境工程领域的重大发现，它可在厌氧条件下同步去除亚硝酸盐/硫酸盐和甲烷等污染物，具有显著的工程应用价值。与传统的废水脱氮工艺或脱硫工艺相比，将AMO反应用于废水脱氮或脱硫有较大的经济优势。传统反硝化或脱硫工艺运行成本较高，通常需外加甲醇等碳源作为电子供体。而AMO过程可利用污水厌氧消化的产物甲院为反硝化或硫酸盐还原过程提供电子，大大降低废水脱氮除硫的成本。将AMO过程应用于废水处理工艺，可以同步去除废水厌氧消化系统产生的甲烷气体，降低散逸至大气中甲烷的浓度，减缓温室效应。然而，甲烷是一种难溶性的气体，在常温常压条件下，厌氧消化系统的出水中只含有极低浓度的溶解性甲烷。因此，需要将甲烷气体持续不断地通入AMO工艺才能实现系统的连续运行，这增加了AMO废水处理系统的复杂性和运行管理的费用。
针对现有技术中所存在的不足，本实用新型提供了一种甲烷驱动的微生物脱氮除硫协同产电装置，实现废水中硝酸盐/硫酸盐和废气中甲烷的同步处理，并从中获取电能。且整体结构紧凑牢靠、曝气能耗低，运行管理简便，处理效果好。
实用新型内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种甲烷驱动的微生物脱氮除硫协同产电装置。
为实现上述目的，本实用新型提供了一种甲烷驱动的微生物脱氮除硫协同产电装置，包括，阳极箱、阴极箱，所述的阳极箱、阴极箱内分别设置有阳极室、阴极室，阳极室、阴极室内分别设置有第二碳纤维电刷、第一碳纤维电刷，第二碳纤维电刷、第一碳纤维电刷分别通过第二钛线、第一钛线与两条导线一端连接导电，两条导线另一端分别与外电阻两端连接导电；
阳极室内填充有接种物、装填料液、高导电性轻质填料，装填料液为甲烷和无机盐；
阴极室内装填有料液，所述的料液含有硝酸盐、硫酸盐的废水或铁氰化钾、高锰酸钾其中至少一种物质。
优选地，接种物为深海底泥或水稻田底泥。
优选地，在无机盐当中添加有机或无机的氧化还原中介体。
优选地，所述的阳极室内部分别设置有第一拦截网和第二拦截网，所述的第一拦截网和第二拦截网之间填充有高导电性轻质填料；
使用时，高导电性轻质填料在浮力作用下上浮，使得高导电性轻质填料底部与第一拦截网之间形成膨胀区；
所述的第一拦截网下方设置有阳极进水管，阳极进水管一端与阳极室连通，从而将待处理水引入阳极室；
第二拦截网上方设置有阳极出水管，阳极出水管一端与阳极室连通，从而将处理后的水排出阳极室；
所述的第一拦截网下方还设置有曝气盘，所述的曝气盘通过曝气管与外部甲烷连通，从而引入甲烷进行曝气；
所述的第一拦截网和第二拦截网之间还设置有第一碳刷电极，第一碳刷电极由纵向的第一钛线和横向分布的碳纤维组成，第一碳刷电极通过第一钛线固定于第一胶塞上；第一碳刷电极贯穿并均匀分布在整个高导电性轻质填料中，第一钛线上端与导线连接；
阴极室底部设置有阴极进水管、顶部设置有阴极出水管；
阴极进水管与阴极室连通，从而将料液引入阴极室；
阴极出水管与阴极室连通，从而将处理后的水排出阴极室；
所述的阴极室内还设置有第二碳刷电极，第二碳刷电极由纵向的第二钛线和横向分布的碳纤维组成，第二碳刷电极通过第二钛线固定于第二胶塞上；第二碳刷电极主体位于阴极室中央，第二钛线上端与另一导线连接；
两条导线分别与外电阻两端接通导电，形成外电路，使微生物燃料电池形成闭合回路。
优选地，所述的高导电性轻质填料为近球形、高电导率、低密度的漂浮填料，由金属气凝胶颗粒或碳基气凝胶颗粒其中一种或几种填料组成，填料粒径范围在2.0cm～5.0cm之间，填料电导率大于10s/cm，填料密度小于0.5g/cm3，填充比在60～80%。
优选地，膨胀区厚度不应小于2cm，作用是给高导电轻质填料层膨胀留足空间。
优选地，第一拦截网和第二拦截网的网孔小于1.5cm，用于限制高导电性轻质填料过度膨胀，以及高导电性轻质填的位置。
优选地，所述的阳极箱顶部设置有第一顶盖孔、阳极排气管，所述的第一顶盖孔通过第一胶塞密封；所述的阳极排气管一端与阳极室连通，从而将阳极室内的气体排出；
阴极箱顶部设置有第二顶盖孔、阴极排气管，所述的第二顶盖孔通过第二胶塞密封；阴极排气管与阴极室连通，从而将阴极室内的气体排出。
优选地，外电阻阻值设定在500～10000欧姆。
优选地，所述的阳极室和阴极室之间通过膜夹层结构分割，所述的膜夹层结构，包括质子交换膜，所述的质子交换膜两端面分别通过不锈钢网夹紧，两块不锈钢网再固定在两块夹层板框之间，从而实现对不锈钢网、质子交换膜的固定，螺栓穿过两个夹层板框、阳极箱边缘、阴极箱边缘，并通过螺纹分别与阳极箱边缘、阴极箱边缘旋紧固定，从而将膜夹层结构夹紧在阳极箱和阴极箱之间。
本实用新型的有益效果是：
1. 本实用新型能够在常温常压下将甲烷气体转化为电能，同时实现污水中硝酸盐或硫酸盐的去除。
2. 本实用新型有利于微生物燃料电池产电效能的提高和装置的放大。阳极室装填超高导电性气凝胶，使微生物产生的电子能够远距离快速传递至阳极，大大降低了阳极室内阻，提高产电效率；阳极室内阻的降低允许阳极室的体积进一步放大。
3. 本实用新型无需进行连续甲烷曝气，节省甲烷曝气的能耗和甲烷回收的成本。高导电性轻质填料层进行甲烷曝气时通过填料层膨胀能够滞留部分甲烷气体，提高甲烷的利用率，减少溢出装置的甲烷量。
附图说明
图1是本实用新型的立体结构示意图。
图2是本实用新型的结构示意图。
图3是本实用新型的膜夹层结构的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明：
参见图1-图3，一种甲烷驱动的微生物脱氮除硫协同产电装置，包括阳极箱210、阴极箱220，所述的阳极箱210、阴极箱220内分别设置有阳极室211、阴极室221，所述的阳极室211内部分别设置有第一拦截网61和第二拦截网62，所述的第一拦截网61和第二拦截网62之间填充有高导电性轻质填料4，所述的高导电性轻质填料4为近球形、高电导率、低密度的漂浮填料，由金属气凝胶颗粒或碳基气凝胶颗粒等一种或几种填料组成，填料粒径范围在2.0cm～5.0cm之间，填料电导率大于10s/cm，填料密度小于0.5g/cm3，填充比在60～80%；
使用时，高导电性轻质填料4在浮力作用下上浮，使得高导电性轻质填料4底部与第一拦截网41之间形成膨胀区212，膨胀区212厚度不应小于2cm，作用是给高导电轻质填料层膨胀留足空间；
第一拦截网61和第二拦截网62的网孔小于1.5cm，用于限制高导电性轻质填料4过度膨胀，以及高导电性轻质填料4的位置；
所述的第一拦截网61下方设置有阳极进水管1，阳极进水管1一端与阳极室211连通，从而将待处理水引入阳极室211；
第二拦截网62上方设置有阳极出水管2，阳极出水管2一端与阳极室211连通，从而将处理后的水排出阳极室211；
所述的阳极箱210顶部设置有第一顶盖孔213、阳极排气管3，所述的第一顶盖孔213通过第一胶塞91密封；
所述的阳极排气管3一端与阳极室211连通，从而将阳极室211内的气体排出；
所述的第一拦截网61下方还设置有曝气盘7，所述的曝气盘7通过曝气管8与外部气源连通，从而引入外部气源进行曝气，本实施例选用甲烷作为气源。
所述的第一拦截网61和第二拦截网62之间还设置有第一碳刷电极51，第一碳刷电极51由纵向的第一钛线101和横向分布的碳纤维组成，第一碳刷电极51通过第一钛线固定于第一胶塞91上；第一碳刷电极51主体位于阳极室中央，贯穿并均匀分布在整个高导电性轻质填料4中，第一钛线上端与导线11连接。
阳极室211的接种物为深海底泥或水稻田底泥，装填料液为甲烷和无机盐。优选地，在无机盐当中添加有机或无机的氧化还原中介体。氧化还原中介体可以是碘化锂、TEMPO、LiNO3其中的一种或其任意组合。
阴极室221底部设置有阴极进水管13、顶部设置有阴极出水管14，且阴极箱顶部设置有第二顶盖孔222、阴极排气管15，所述的第二顶盖孔222通过第二胶塞92密封；
阴极排气管15与阴极室221连通，从而将阴极室内的气体排出；
阴极进水管13与阴极室221连通，从而将待处理水引入阴极室221；
阴极出水管14与阴极室221连通，从而将处理后的水排出阴极室221；
所述的阴极室221内还设置有第二碳刷电极52，第二碳刷电极52由纵向的第二钛线102和横向分布的碳纤维组成，第二碳刷电极52通过第二钛线102固定于第二胶塞92上；第二碳刷电极52主体位于阴极室中央，第二钛线102上端与另一导线11连接。
两条导线11分别与外电阻12两端接通导电，形成外电路，使微生物燃料电池形成闭合回路。外电阻阻值设定在500～10000欧姆。
阴极室第二碳刷电极和第二胶塞的位置和材质与阳极室的第一碳刷电极和第一胶塞基本一致。
阴极室内装填料液，所述的料液含有硝酸盐、硫酸盐的废水或铁氰化钾、高锰酸钾等物质，可以是含有上述物质的废水。
所述的阳极室211和阴极室221之间通过膜夹层结构分割，所述的膜夹层结构，包括质子交换膜18，所述的质子交换膜18两端面分别通过不锈钢网17夹紧，两块不锈钢网17再固定在两块夹层板框16之间，从而实现对不锈钢网17、质子交换膜18的固定，螺栓19穿过两个夹层板框16、阳极箱边缘、阴极箱边缘，并通过螺纹分别与阳极箱边缘214、阴极箱边缘223旋紧固定，从而将膜夹层结构夹紧在阳极箱210和阴极箱220之间。
不锈钢网17面积与质子交换膜18面积相同，主要起固定和支撑膜的作用，防止因为阴阳室压力差引起质子交换膜18破裂，不锈钢网17孔径在0.3～2.0cm之间，允许阴阳离子自由穿过。
本实用新型的使用过程及原理如下：
打开阳极室的第一胶塞91，接入深海底泥或稻田底泥。
将带有氧化还原中介体的无机盐培养液从阳极进水管1注入阳极室，无机盐培养液经第一拦截网61后与高导电轻质填料4接触，在浮力作用下高导电轻质填料4上浮至无机盐培养液上方并淹没所有第一碳纤维刷51，高导电轻质填料4下方膨胀区212随之形成，至无机盐培养液液面达到阳极室出水管2位置时停止无机盐培养液注入。
开启甲烷曝气装置，甲烷经曝气管8从曝气盘7均匀溢出，甲烷气泡经第一拦截网61后与高导电轻质填料4接触，气泡、无机盐培养液和高导电轻质填料4三相混合引起高导电轻质填料4膨胀，部分甲烷气泡被滞留在高导电轻质填料4间隙，剩余甲烷气体从无机培养液溢出经阳极排气管排出装置外。
待高导电轻质填料4、气泡、无机盐培养液三相混合均匀后停止甲烷曝气，关闭阳极室所有进出水管和进排气管，拧紧阳极室第一胶塞91，实现阳极室密封。
阳极室进料的同时，将料液从阴极室进水管13注入阴极室，至液面达到阴极室出水管位置停止进料，关闭阴极室所有进出水管和排气管，拧紧阴极室胶塞，实现阴极室密封。接通外电路启动反应。
在阳极室，甲烷厌氧氧化细菌单独氧化甲烷或与其他共生细菌协同氧化甲烷产生电子，电子采用直接传递、经高导电填料4传递、经氧化还原中介体传递其中一种方式达到至第一碳刷电极51的碳纤维，并经过外电路到达第二碳刷电极52的碳纤维刷。
在阴极室，硝酸盐、硫酸盐接受阴极上的电子分别被还原为氮气和单质硫，完成废水中污染物的还原转化。
当阳极室高导电轻质填料4层收缩明显时，指示甲烷消耗殆尽，此时重新开启甲烷曝气系统5分钟左右，使填料层再度膨胀，开始下一周期的反应。
本实用新型未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。
以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种甲烷驱动的微生物脱氮除硫协同产电装置，其特征是：包括，阳极箱、阴极箱，所述的阳极箱、阴极箱内分别设置有阳极室、阴极室，阳极室、阴极室内分别设置有第二碳纤维电刷、第一碳纤维电刷，第二碳纤维电刷、第一碳纤维电刷分别通过第二钛线、第一钛线与两条导线一端连接导电，两条导线另一端分别与外电阻两端连接导电；
阳极室内填充有接种物、装填料液、高导电性轻质填料；阴极室内装填有料液。
2.如权利要求1所述的甲烷驱动的微生物脱氮除硫协同产电装置，其特征是：接种物为深海底泥或水稻田底泥。
3.如权利要求1所述的甲烷驱动的微生物脱氮除硫协同产电装置，其特征是：所述的阳极室内部分别设置有第一拦截网和第二拦截网，所述的第一拦截网和第二拦截网之间填充有高导电性轻质填料；
使用时，高导电性轻质填料在浮力作用下上浮，使得高导电性轻质填料底部与第一拦截网之间形成膨胀区；
所述的第一拦截网下方设置有阳极进水管，阳极进水管一端与阳极室连通，从而将待处理水引入阳极室；
第二拦截网上方设置有阳极出水管，阳极出水管一端与阳极室连通，从而将处理后的水排出阳极室；
所述的第一拦截网下方还设置有曝气盘，所述的曝气盘通过曝气管与外部甲烷连通，从而引入甲烷进行曝气；
所述的第一拦截网和第二拦截网之间还设置有第一碳刷电极，第一碳刷电极由纵向的第一钛线和横向分布的碳纤维组成，第一碳刷电极通过第一钛线固定于第一胶塞上；第一碳刷电极贯穿并均匀分布在整个高导电性轻质填料中，第一钛线上端与导线连接；
阴极室底部设置有阴极进水管、顶部设置有阴极出水管；
阴极进水管与阴极室连通，从而将料液引入阴极室；
阴极出水管与阴极室连通，从而将处理后的水排出阴极室；
所述的阴极室内还设置有第二碳刷电极，第二碳刷电极由纵向的第二钛线和横向分布的碳纤维组成，第二碳刷电极通过第二钛线固定于第二胶塞上；第二碳刷电极主体位于阴极室中央，第二钛线上端与另一导线连接；
两条导线分别与外电阻两端接通导电，形成外电路，使微生物燃料电池形成闭合回路。
4.如权利要求3所述的甲烷驱动的微生物脱氮除硫协同产电装置，其特征是：所述的高导电性轻质填料为近球形、高电导率、低密度的漂浮填料，填料粒径范围在2.0cm～5.0cm之间，填料电导率大于10s/cm，填料密度小于0.5g/cm3，填充比在60～80％。
5.如权利要求3所述的甲烷驱动的微生物脱氮除硫协同产电装置，其特征是：膨胀区厚度不应小于2cm，作用是给高导电轻质填料层膨胀留足空间。
6.如权利要求3所述的甲烷驱动的微生物脱氮除硫协同产电装置，其特征是：第一拦截网和第二拦截网的网孔小于1.5cm，用于限制高导电性轻质填料过度膨胀，以及高导电性轻质填的位置。
7.如权利要求3所述的甲烷驱动的微生物脱氮除硫协同产电装置，其特征是：所述的阳极箱顶部设置有第一顶盖孔、阳极排气管，所述的第一顶盖孔通过第一胶塞密封；所述的阳极排气管一端与阳极室连通，从而将阳极室内的气体排出；
阴极箱顶部设置有第二顶盖孔、阴极排气管，所述的第二顶盖孔通过第二胶塞密封；阴极排气管与阴极室连通，从而将阴极室内的气体排出。
8.如权利要求3所述的甲烷驱动的微生物脱氮除硫协同产电装置，其特征是：外电阻阻值设定在500～10000欧姆。
9.如权利要求1或3所述的甲烷驱动的微生物脱氮除硫协同产电装置，其特征是：所述的阳极室和阴极室之间通过膜夹层结构分割，所述的膜夹层结构，包括质子交换膜，所述的质子交换膜两端面分别通过不锈钢网夹紧，两块不锈钢网再固定在两块夹层板框之间，从而实现对不锈钢网、质子交换膜的固定，螺栓穿过两个夹层板框、阳极箱边缘、阴极箱边缘，并通过螺纹分别与阳极箱边缘、阴极箱边缘旋紧固定，从而将膜夹层结构夹紧在阳极箱和阴极箱之间。
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