厭氧流化床空氣陰極微生物燃料電池裝置的製作方法
2023-05-27 05:24:01
專利名稱：厭氧流化床空氣陰極微生物燃料電池裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於液固流化床反應器生物燃料電池技術領域，涉及一種 將液固流化床和微生物燃料電池相集成用於廢水處理的技術裝置，特 別是一種厭氧流化床空氣陰極微生物燃料電池裝置，適用於啤酒工業 廢水、食品加工廢水、城市生活汙水等有機物汙水處理場合。
背景技術：
目前，工業發展和人口急劇膨脹對資源和環境造成了嚴重威脅， 合理利用資源，實現廢物的資源化利用是環保減排和緩解資源短缺的 有效途徑。由於城市生活汙水和工業生產廢水的不斷增加，淨化處理 能力嚴重不足，水環境日益惡化。現有的汙水處理方法主要包括物理 處理法、化學處理法和生物處理法等，其中最常用的生物處理法包括 兩種 一種是利用微生物在汙水池中進行曝氣處理，消耗大量能量， 汙水處理成本高，不利於推廣；另一種是利用厭氧微生物將汙水中的 有機物氧化分解為二氧化碳以及甲烷等小分子物質，但是厭氧處理過 程不能將有機物徹底氧化，產生甲烷、 一氧化碳等氣體。甲烷、 一氧 化碳等氣體如不進行後處理會對周圍環境產生二次汙染。因此需要研 究高效的有機廢水的處理方法。微生物燃料電池技術利用異化菌為催 化劑將呼吸作用中的電子供體(如葡萄糖、醋酸等)徹底氧化為二氧 化碳，同時產生電能，該技術具有反應條件溫和，設備簡單，易操作， 運行成本低，對汙水有機物去除效果好等優點，可實現在汙水處理的 同時回收能量的雙重效果，是一種應用前景廣泛的汙水處理技術，但 該技術目前尚未形成規模化的成熟應用。厭氧流化床陽極空氣陰極單 室微生物燃料電池是將微生物燃料電池技術與流化床反應器相集成 而研究開發的一種新型反應器，屬於待開發和創新的技術。電池(MFC) 多適用於實驗室的研究，陽極多用攪拌的方式，存在微生物分布不均 勻，傳質效率低，不易於汙水處理工業放大等突出缺點。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術存在的缺點，開發一種液固厭氧 流化床陽極空氣陰極單室微生物燃料電池廢水處理裝置，該裝置易於 工業化，可在實現汙水處理同時生產電能，通過調節床層高度、汙水 流量、廢水濃度和種類、液體分布孔尺度、厭氧汙泥和載體顆粒用量 及粒度等操作參數，實現汙水化學耗氧量(COD)汙染物的有效去除和 產電性能的提高。
為了實現上述目的，本發明裝置的主體結構包括汙水入口、汙 水出口、汙水入口預分布室、液體分布板、流化床體、流化床擴大段、 流化顆粒(填料)、密封蓋、氣體收集出口、測試口、陽電極、導線、 陰極和負載，各部件配合組成厭氧流化床陽極空氣陰極微生物燃料電 池裝置；裝置底部制有汙水入口，汙水入口上部制有預分布室，預分 布室和流化床體之間制有液體分布板，流化床體內下部裝有流化顆 粒，流化顆粒由厭氧汙泥及其載體顆粒混合加入流化床反應區；陽電 極豎向位於流化床體內側， 一端插入流化顆粒(填料)內引出和傳導 有機物降解產生的電子，空氣膜陰極位於流化床體外側，並通過環氧 膠密封，陽電極另一端和空氣膜陰極之間通過導線連接，並串聯負載 相連形成閉合迴路；上下順序排列的測試口位於流化床體外側壁，用 於測定床層壓力和流化顆粒流速；汙水入口預分布室使菌液分布均 勻，實現流化顆粒的充分流化，改善廢水處理效果，增加產電功率， 降低內阻；汙水由汙水入口依次經過預分布室和液體分布板進入流化 床體內，厭氧汙泥混合菌掛膜於流化顆粒上處於流化狀態；流化床體
頂部設置有密封蓋，將陽電極處於密封狀態並保持厭氧環境，密封蓋 中心設置有氣體收集出口；陽電極與陰極之間距離為10 mm-20 mm; 陰極為空氣膜陰極，以不鏽鋼絲網為支撐體，通過法蘭連接於厭氧流 化床體外側。
本發明與傳統的微生物燃料電池相比具有以下優點(1)陽電極 室採用厭氧生物流化床，廢水自下向上流過床層使填料呈流化狀態， 增加了單位時間內生物膜同廢水的接觸面積，強化了汙水中有機物的
4傳質，加快了生化反應速率；(2)採用空氣陰極，減少曝氣動力消耗， 避免了氧在水中溶解度對陰極氧還原動力學的限制；(3)厭氧流化床 陽極空氣陰極微生物燃料電池結構簡單、體積功率密度高，易於工業 放大；本發明以廢水作為電池燃料，以厭氧汙泥為混合菌種源，採用 空氣陰極，降低了電池成本，提高了產電性能，還具有操作區域寬， 操作可靠，厭氧流化床傳質效果好，生化反應速率快，易於放大和工 業化應用等優點，廣泛適用於不同化學耗氧量(COD)濃度汙水的淨化 處理。
圖1為本發明裝置的平面結構原理示意圖。 圖2為本發明裝置的電池啟動期電壓圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明裝置作進一步的描述。 實施例
本實施例結構主體包括汙水入口 1、預分布室2、液體分布板3、
測試口4、流化床體5、流化床擴大段6、汙水出口7、密封蓋8、氣 體收集出口9、負載IO、導線ll、催化劑顆粒擋板12、陽電極13、 陰極14和流化顆粒15，各部件組合構成厭氧流化床陽極空氣陰極單 室微生物燃料電池裝置；汙水入口 l位於反應器底部中心位置，管徑 015 mm;汙水出口 7位於流化床體側壁距頂部50 mm處，管徑0> 15 mm; 氣體收集出口 9位於密封蓋8的頂部中心位置，管徑①10 mm;預分 布室2的直徑為40 mm，並通過法蘭與流化床體5連接；液體分布板 3開孔直徑①1.5-2.5mm，開孔率10_15%，確保汙水均勻進入；催化 劑顆粒擋板12的直徑070 mm，板面開孔直徑02-3 mm，開孔率 10-15%，固定在流化床擴大段6，確保催化劑顆粒或流化顆粒不隨汙 水流出反應器；流化床體5分為反應區和流化床擴大段6，其中流化 床反應區為有機玻璃圓筒，直徑40mm，高450 mm;流化床擴大段6 的直徑70 mm，高150 mm;流化顆粒(填料)15為厭氧回流段厭氧汙 泥(馴化30天)與活性炭載體顆粒按比例混合，填充於流化床體的反應區內；陽電極13為直徑05 mm，長150 mm的石墨碳棒，碳棒底 部位於流化顆粒15內，另一端焊接導線導出電子；空氣膜陰極14為 nafion膜和載鉑碳紙熱壓而成，外側以絲網為支撐，並用環氧膠密 封；若干個上下排列的測試口4 (04mrn)位於有機玻璃側壁，用於 測定床層壓力和顆粒流速。
本實施例的待處理合成汙水從汙水入口 1 (管徑①15 mm)進入 水預分布室2，穿過多孔液體分布板3 (直徑040 mm，板面開孔直徑 。1.5-2.5 mm，開孔率10-15%)進入流化床體5的反應區(直徑① 40 mm);汙泥和載體顆粒填充於反應區內，在汙水流場的作用下流化， 汙泥中的混合菌作為催化劑將汙水中的有機物直接氧化為二氧化碳， 產生的電子通過石墨碳棒陽電極13引出至陰極14，氫質子經過質子 交換膜到達陰極14，陰極14以空氣為電子接受體與氫質子反應生成 水，即將汙水中C0D直接轉化為小分子物質C02、 H20。處理後的汙水 經過流化床擴大段6 (①70mm)，穿過催化劑顆粒擋板12 (①70 mm， 板面開孔直徑①2-3 mm，開孔率10-15%)，經汙水出口7流出，部分 回流至流化床反應器；測試口4 (04mrn)用於測定床層壓力和流化 顆粒或催化劑顆粒的流速。
本實施例在實踐應用中具有以下技術特徵 一是汙水的流速控制 10 ml/min-250 ml/min之間，會造成床層節湧和流化顆粒的損失， 從而降低傳質效果和電子產生與傳遞；二是液體預分布室的作用是保 障汙水流動的均一性，從而保證流化床體內流化顆粒的流化均勻性， 汙水入口 1和氣體收集出口 9設計在中軸線上；三是流化顆粒與氣體 流速有密切關係，顆粒粒徑的選擇在0.2mm到5mm之間；四是汙水 擋板設計方面，為防止流化顆粒的流失，擋板下附加一層絲網；五在 汙水入口預分布室內設計過濾層，過濾處理的汙水含有顆粒物雜質， 防止堵塞液體分布板孔。
本實施例適於不同C0D濃度的汙水處理，COD去除率可達87%， 具有良好的汙水處理效果。附圖2為本實施例電池啟動期電池電壓變 化曲線圖，將顆粒粒徑為0.2-1 mm的活性炭和培養好的厭氧汙泥以6:5的比例投入厭氧流化床陽極反應器內，系統溫度在28±3 'C條件 下運行時，電池啟動較快，系統初始電壓為0.2 v,運行至第五天， 開路電壓為0.904 v;繼續運行一周後，體系運行正常，電壓穩定於 0.7-1.2v之間；表明本實施例傳質效率高、電池啟動快、處理效果 好、易於工業放大等優點，有利於獲得較多的生物質能，實現生物發 電和同步廢水處理技術的實際應用。
權利要求
1. 一種厭氧流化床空氣陰極微生物燃料電池裝置，主體結構包括汙水入口、汙水出口、汙水入口預分布室、液體分布板、流化床體、流化床擴大段、流化顆粒、密封蓋、氣體收集出口、測試口、陽電極、導線、陰極和負載，其特徵在於裝置底部制有汙水入口，汙水入口上部制有預分布室，預分布室和流化床體之間制有液體分布板，流化床體內下部裝有流化顆粒，流化顆粒由厭氧汙泥及其載體顆粒混合加入流化床反應區；陽電極豎向位於流化床體內側，一端插入流化顆粒內引出和傳導有機物降解產生的電子，空氣膜陰極位於流化床體外側，並通過環氧膠密封，陽電極另一端和空氣膜陰極之間通過導線連接，並串聯負載形成閉合迴路；上下順序排列的測試口位於流化床體外側壁，用於測定床層壓力和流化顆粒流速；汙水入口預分布室使菌液分布均勻，實現流化顆粒的充分流化，改善廢水處理效果，增加產電功率，降低內阻；汙水由汙水入口依次經過預分布室和液體分布板進入流化床體內，厭氧汙泥混合菌掛膜於流化顆粒上處於流化狀態；流化床體頂部設置有密封蓋，將陽電極處於密封狀態並保持厭氧環境，密封蓋中心設置有氣體收集出口；陽電極與陰極之間距離為10mm-20mm；陰極為空氣膜陰極，以不鏽鋼絲網為支撐體，通過法蘭連接於厭氧流化床體外側。
全文摘要
本發明涉及一種將液固流化床和微生物燃料電池相集成用於廢水處理的技術裝置，特別是一種厭氧流化床空氣陰極微生物燃料電池裝置；其底部制有汙水入口，汙水入口上部制有預分布室，預分布室和流化床體之間制有液體分布板，流化床體內下部裝有流化顆粒；陽電極豎向位於流化床體內側，一端插入流化顆粒內引出電子，空氣膜陰極位於流化床體外側，並通過環氧膠密封，陽電極另一端和空氣膜陰極之間通過導線連接，並串聯負載形成閉合迴路；氣體收集出口位於密封蓋頂部中心；上下順序排列的測試口位於流化床體外側壁；其製備成本低，性能高，操作可靠，效果好，速率快，易於放大和工業化應用。
文檔編號C02F1/461GK101462785SQ20091001375
公開日2009年6月24日 申請日期2009年1月7日 優先權日2009年1月7日
發明者劉新民, 嶽學海, 王許雲, 趙書菊, 郭慶傑 申請人:青島科技大學