一種由活性污泥工藝改造成的微生物燃料電池反應(yīng)器的制造方法
【專利摘要】一種由活性污泥工藝改造成的微生物燃料電池反應(yīng)器，其特征是活性污泥工藝反應(yīng)器中構(gòu)成回廊的兩道實(shí)體隔墻改造為兩道空心隔墻，空心隔墻的墻壁材料為碳?xì)郑總€(gè)碳?xì)种虚g夾有耐腐蝕的金屬材料作為支撐并用于連接外電路；從進(jìn)水口開始，反應(yīng)器進(jìn)水側(cè)的內(nèi)壁為第1道墻、兩道空心隔墻依次為第2道墻和第3道墻、出水側(cè)的內(nèi)壁為第4道墻，四道墻都附著產(chǎn)電菌的碳?xì)?，作為生物膜電極。該改造方法原位改造推流式活性污泥工藝，方便易行；生物膜催化陰陽極反應(yīng)，產(chǎn)生電能，增加了污水處理的可持續(xù)性；免除了強(qiáng)制曝氣，降低電能消耗；隔墻轉(zhuǎn)化為電極，且可以方便改變電極極性。該方法有利于促進(jìn)水污染控制技術(shù)的節(jié)能降耗、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。
【專利說明】一種由活性污泥工藝改造成的微生物燃料電池反應(yīng)器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本方法屬于環(huán)境工程【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及污水處理及中水回用技術(shù)，特別涉及一種由活性污泥工藝改造成的微生物燃料電池反應(yīng)器，用于將現(xiàn)有的活性污泥工藝改造為生物陰極微生物燃料電池，產(chǎn)電同步去除碳氮的污水。
【背景技術(shù)】
[0002]我國(guó)面臨水資源短缺和水污染嚴(yán)重的雙重壓力，中水回用是解決該問題的有效手段之一。推流式活性污泥法是一種在早期水污染的迫切壓力下大量建設(shè)運(yùn)行的主要工藝。直到現(xiàn)在，由于其工藝成熟，運(yùn)行簡(jiǎn)單，仍廣泛用于各種污水處理，在控制水污染方面發(fā)揮著巨大的作用。
[0003]生物質(zhì)能是太陽能以化學(xué)能形式貯存在生物質(zhì)中的能量形式，是具有廣泛使用價(jià)值的新能源。像化石燃料中的石油和天然氣一樣，廢水當(dāng)中的碳?xì)浠衔镆彩且环N生物質(zhì)能，蘊(yùn)含能量。在低能耗和低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展趨勢(shì)下，廢水越來越被看作一種能量(有機(jī)物)和資源(回用水，N, P)的來源而非廢物。
[0004]然而，好氧的活性污泥工藝，需要消耗大量的能量，其中約有一半的電能輸入用于曝氣去除廢水中的有機(jī)物，是一種以能治能的方式，并沒有將廢水中有機(jī)物的這部分能量當(dāng)做能源回收，存在高能耗，運(yùn)行成本高的弊端。減小能耗和碳足跡是污水處理廠發(fā)展的必然趨勢(shì)，如果更多更好地獲取存在于廢水當(dāng)中的潛在能源，并且同時(shí)減少用于水處理投入的能量(運(yùn)行方式由好氧處理變?yōu)閰捬跆幚?，那么廢水處理可能變?yōu)橐环N凈能量的生產(chǎn)者而非消費(fèi)者。
[0005]微生物燃料電器技術(shù)(Microbial Fuel Cell，MFC)是一種將廢水看作是能源與資源的載體的厭氧處理技術(shù)，利用廢水中的有機(jī)污染物作為燃料，厭氧條件下陽極電化學(xué)活性菌將生物質(zhì)能一步轉(zhuǎn)化為最清潔的能源一電能，實(shí)現(xiàn)廢水處理和電能產(chǎn)生的統(tǒng)一。MFC按構(gòu)型分為雙室型和單室型。單室MFC的陰極將電極材料、離子交換膜、隔水層和催化劑各功能集于一體，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、內(nèi)阻小和電子受體不受擴(kuò)散濃差影響等優(yōu)點(diǎn)，產(chǎn)電效率高。
[0006]生物陰極微生物燃料電器的陰極微生物可以直接以電極作為電子供體，很好地催化陰極還原反應(yīng)。且與貴金屬催化劑相比，具有成本較低，避免催化劑中毒失效，可以可持續(xù)自我更新的優(yōu)點(diǎn)。Xia等證明生物陰極可以通過被動(dòng)的氧氣擴(kuò)散產(chǎn)生電能，并且輸出功率與Pt電極相當(dāng)。Wang等設(shè)計(jì)了一種新型的單室微生物燃料電器，附著生物膜的碳?xì)旨茸鳛樯镪帢O又作為出水過濾膜，同時(shí)陰極生物膜可以進(jìn)行硝化反硝化進(jìn)行脫氮。Virdis等研究了生物陰極微生物燃料電器同時(shí)脫氮除碳，在陰極，通過外加硝化反應(yīng)器或者在線曝氣實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化，實(shí)現(xiàn)氮污染物的去除，該研究組提出了陰極生物膜的分層，對(duì)于同步硝化反硝化實(shí)現(xiàn)氮化合物的去除起決定性的作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明目的是提供一種由活性污泥工藝改造成的微生物燃料電池反應(yīng)器，用于回收廢水中蘊(yùn)含的能源，減少能耗，同時(shí)完成碳氮污染物的去除。用該方法設(shè)計(jì)及改造的推流式單室微生物燃料電器，不僅可以免除活性污泥法曝氣所需能耗，而且可以將蘊(yùn)含在廢水當(dāng)中的能量以電能的形式回收；同時(shí)生物陰極的生物膜可以過濾出水，也可以利用被動(dòng)擴(kuò)散的氧氣將氨氮轉(zhuǎn)化為硝氮，利用電極作為電子供體反硝化最終實(shí)現(xiàn)氨氮的去除。該發(fā)明有利于促進(jìn)水污染控制技術(shù)的節(jié)能降耗、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0009]一種由活性污泥工藝改造成的微生物燃料電池反應(yīng)器，主要用于推流式活性污泥工藝中反應(yīng)器，具體是將反應(yīng)器中構(gòu)成回廊的兩道實(shí)體隔墻改造為空心隔墻，隔墻的墻壁材料為碳?xì)郑總€(gè)碳?xì)种虚g夾有耐腐蝕的金屬材料作為支撐并用于連接外電路；反應(yīng)器進(jìn)水側(cè)的內(nèi)壁和出水側(cè)的內(nèi)壁的材料也為碳?xì)?，碳?xì)稚厦娓街锬ぃ粌傻栏魤⒎磻?yīng)器隔成三個(gè)回廊。從進(jìn)水口開始，反應(yīng)器進(jìn)水側(cè)的內(nèi)壁為第I道墻、兩道隔墻依次為第2道墻和第3道墻、出水側(cè)的內(nèi)壁為第4道墻。第I道墻內(nèi)壁附著產(chǎn)電菌的碳?xì)肿鳛殛枠O。第2和3道墻包圍的空間可以與外界空氣相通，能源源不斷地補(bǔ)充更新空氣；空心隔墻上部開口處設(shè)置封蓋，密封時(shí)第2道墻和第3道墻的碳?xì)蛛姌O作為陽極；不密封時(shí)，第2道墻和第3道墻的碳?xì)蛛姌O一側(cè)接觸廢水，另一側(cè)接觸空氣，作為被動(dòng)氧氣擴(kuò)散MFC的生物陰極。第4道墻也是由碳?xì)指街⑸铮鳛樯镪帢O。第2和3道墻包圍的空間同時(shí)可以作為集水槽，用于收集經(jīng)過碳?xì)稚锬み^濾的出水；第4道墻外也設(shè)有集水槽，收集經(jīng)過該墻生物膜過濾的出水。每個(gè)集水槽都設(shè)有集水槽出水口，避免聚積大量出水，影響電極性能。出水口外設(shè)出水溢流堰，采用溢流出水的方式，出水口位于溢流堰液位以下，起到水封作用，避免空氣進(jìn)入整個(gè)反應(yīng)器。
[0010]該改造方法有兩種運(yùn)行方式，一種是第I道墻和第3道墻為陽極，第2道墻和第4道墻為陰極；一種是第I道墻和第2道墻為陽極，第3道墻和第4道墻為陰極。廢水從進(jìn)入口進(jìn)入反應(yīng)器，有機(jī)物在陽極上降解，產(chǎn)生電子傳遞到電極上。陰極生物膜內(nèi)存在氧氣梯度，外層生物膜可以利用氧氣將氨氮氧化為硝酸氮，硝酸氮可以作為電子受體，通過電極提供的電子進(jìn)行反硝化脫氮。陰陽極共同作用，最終實(shí)現(xiàn)有機(jī)物轉(zhuǎn)化為電能和自養(yǎng)反硝化的脫氮的功能。出水也分為兩種形式，一為通過碳?xì)稚锬み^濾后收集后經(jīng)集水槽出水口出水，一為回廊終點(diǎn)溢流水封出水口出水。
[0011]本發(fā)明的有益效果是本方法以推流式活性污泥反應(yīng)器為基礎(chǔ)，原位改造簡(jiǎn)單，方便易行；產(chǎn)電菌生物膜催化陰陽極反應(yīng)，降解污染物，產(chǎn)生電能，增加了污水處理廠的可持續(xù)性；免除了強(qiáng)制曝氣，降低電能消耗；隔墻轉(zhuǎn)化為電極，且可以方便改變電極極性；碳材料電極膜出水，出水水質(zhì)高。該方法有利于促進(jìn)水污染控制技術(shù)的節(jié)能降耗、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。
[0012]本發(fā)明的反應(yīng)器構(gòu)造簡(jiǎn)單，運(yùn)行靈活，操作方便，在污水處理和中水回用領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景，如:無排水管網(wǎng)系統(tǒng)的地區(qū)，如度假區(qū)、旅游風(fēng)景區(qū)；有中水回用需求的地區(qū)或場(chǎng)所，如賓館、洗車業(yè)等。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]附圖是推流式單室微生物燃料電器俯視圖。
[0014]圖中:I進(jìn)水口 ；2集水槽出水口 ；3曝氣頭；4第I道墻；5第2道墻；6碳?xì)旨澳透? 蝕的金屬材料'7出水溢流堰；8第4道墻；9出水口； 10第3道墻；11集水槽。
【具體實(shí)施方式】
[0015]以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。
[0016]實(shí)施例
[0017]反應(yīng)器為推流式活性污泥工藝構(gòu)造，具體是將反應(yīng)器中構(gòu)成回廊的兩道實(shí)體隔墻改造為空心隔墻，隔墻的墻壁材料為碳?xì)?，每個(gè)碳?xì)种虚g夾有耐腐蝕的金屬材料作為支撐并用于連接外電路；反應(yīng)器進(jìn)水側(cè)的內(nèi)壁和出水側(cè)的內(nèi)壁的材料也為碳?xì)?，碳?xì)稚厦娓街锬ぃ粌傻栏魤⒎磻?yīng)器隔成三個(gè)回廊。從進(jìn)水口開始，反應(yīng)器進(jìn)水側(cè)器內(nèi)壁為第I道墻、兩道隔墻依次為第2道墻和第3道墻、出水側(cè)器內(nèi)壁為第4道墻。第I道墻內(nèi)壁附著產(chǎn)電菌的碳?xì)肿鳛殛枠O。第2和3道墻包圍的空間可以與外界空氣相通，能源源不斷地補(bǔ)充更新空氣；空心隔墻上部開口處設(shè)置封蓋，密封時(shí)，第2道墻和第3道墻的碳?xì)蛛姌O作為陽極；不密封時(shí)，第2道墻和第3道墻的碳?xì)蛛姌O一側(cè)接觸廢水，另一側(cè)接觸空氣，作為被動(dòng)氧氣擴(kuò)散MFC的生物陰極。第4道墻也是由碳?xì)指街⑸?，作為生物陰極。第2和3道墻包圍的空間同時(shí)可以作為集水槽，用于收集經(jīng)過碳?xì)稚锬み^濾的出水；第4道墻外也設(shè)有集水槽，收集經(jīng)過該墻生物膜過濾的出水。每個(gè)集水槽都設(shè)有集水槽出水口，避免聚積大量出水，影響電極性能。出水口外設(shè)出水溢流堰，采用溢流出水的方式，出水口位于溢流堰液位以下，起到水封作用，避免空氣進(jìn)入整個(gè)反應(yīng)器。
[0018]處理生活污水水量按1500m3/d計(jì)，COD濃度為300mg/L，TN濃度為50mg/L。設(shè)計(jì)的推流式微生物燃料電器HRT約為12h。具體尺寸為:每個(gè)回廊長(zhǎng)12m，寬4m，有效水深5m，超高lm，總高6米。出水口位置距器底2.5m，外連接溢流堰，出水口低于溢流水面，水封保持反應(yīng)器厭氧。碳?xì)指街锬ぷ鳛殡姌O，且用導(dǎo)線連接于外電路通過電器元件(電阻或電容)，器底鋪設(shè)曝氣設(shè)施。
[0019]反應(yīng)器啟動(dòng):反應(yīng)器用成熟的產(chǎn)電菌接種(或離線馴化，待產(chǎn)電穩(wěn)定后安裝到墻壁上)。以市政廢水作為進(jìn)水，集中儲(chǔ)存在蓄水器中，由進(jìn)水泵從進(jìn)水口 I以60m3/h的流量進(jìn)水。其中的有機(jī)物作為電子供體，在陽極產(chǎn)電菌的作用下講解產(chǎn)生電子、質(zhì)子和二氧化碳；接觸空氣的碳?xì)蛛姌O為陰極，以氧氣或者轉(zhuǎn)化而來的硝氮作為電子受體。在線監(jiān)測(cè)電壓，pH,氧化還原電位和D0。
【權(quán)利要求】
1.一種由活性污泥工藝改造成的微生物燃料電池反應(yīng)器，其特征在于， 活性污泥工藝反應(yīng)器中構(gòu)成回廊的兩道實(shí)體隔墻改造為兩道空心隔墻，空心隔墻的墻壁材料為碳?xì)?，每個(gè)碳?xì)种虚g夾有耐腐蝕的金屬材料作為支撐并用于連接外電路； 從進(jìn)水口開始，反應(yīng)器進(jìn)水側(cè)的內(nèi)壁為第I道墻、兩道空心隔墻依次為第2道墻和第3道墻、出水側(cè)的內(nèi)壁為第4道墻，四道墻都附著產(chǎn)電菌的碳?xì)?，作為生物膜電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改造方法，其特征在于，所述的空心隔墻上部開口處設(shè)置封至JHL ο
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的改造方法，其特征在于，所述的耐腐蝕的金屬材料為不銹鋼網(wǎng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的改造方法，其特征在于，兩道空心隔墻包圍的空間作為集水槽，出水側(cè)的墻外也設(shè)有集水槽；每個(gè)集水槽都設(shè)有集水槽出水口 ；出水口外設(shè)出水溢流堰，采用溢流出水的方式，出水口位于溢流堰液位以下。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的改造方法，其特征在于，兩道空心隔墻包圍的空間作為集水槽，出水側(cè)的墻外也設(shè)有集水槽；每個(gè)集水槽都設(shè)有集水槽出水口 ；出水口外設(shè)出水溢流堰，采用溢流出水的方式，出水口位于溢流堰液位以下。
【文檔編號(hào)】H01M8/06GK103715445SQ201310613674
【公開日】2014年4月9日 申請(qǐng)日期:2013年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月27日
【發(fā)明者】張捍民, 張廣毅 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)