微生物電解池與浮萍培養結合資源化處理有機廢水的裝置製造方法
2023-07-06 03:22:41 2
微生物電解池與浮萍培養結合資源化處理有機廢水的裝置製造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種微生物電解池與浮萍培養相結合資源化處理有機廢水的裝置，其包括微生物電解池和光生物反應器兩個單元，微生物電解池包括微生物電解池殼體，在微生物電解池殼體內設置有改變所述有機汙水流向的擋板、陽極電極以及陰極電極，所述微生物電解池和光生物反應器連通，所述有機汙水經過所述微生物電解池後進入光生物反應器；所述光生物反應器內培養有浮萍。本實用新型可同時克服分別利用微生物電解池和浮萍處理有機廢水時存在的不足，不僅提高了汙水的處理效果，而且獲得的生物燃料甲烷和生物質可以補償汙水處理的成本，為有效處理有機汙水提供了新途徑，對節能減排和環境治理都具有重要的意義。
【專利說明】微生物電解池與浮萍培養結合資源化處理有機廢水的裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種廢水處理技術。具體而言，本實用新型涉及一種微生物電解池與浮萍培養相結合資源化處理有機廢水的裝置，可廣泛用於有機廢水的處理，在提高廢水處理效果的同時能獲得生物燃料和生物質，並能降低廢水處理成本。
【背景技術】
[0002]全球每年產生大量的有機廢水，傳統的廢水生物處理過程不僅需要消耗大量的能量，而且產生大量的汙泥，而對汙泥的處理費用也很高。因而需要開發效率高和成本低的替代技術。與此同時，能源短缺也是制約21世紀人類發展的主要瓶頸。因此開發經濟、高效的新型能源勢在必行，其中生物新能源是主要研究熱點之一。微生物燃料電池(Microbialfuel cell，MFC)是以微生物為催化劑氧化有機物並產生電流的裝置。MFC克服了傳統廢水生物處理過程的缺點，是一種新興的廢水處理和同步產電的廢水生物處理新技術。目前，MFC已應用於各種廢水的處理同時產電，包括生活廢水和工業廢水。MFC對廢水中的有機物(濃度以化學需氧量Chemical Oxygen Demand表示,COD)具有很好的去除效果,利用MFC可以將廢水中80-99%的有機物去除。雖然MFC對廢水中的COD具有很好的去除效果，但是對氮及磷的去除效果卻不佳。為了提高氮的去除率，將MFC與其它除氮方法相結合開發了許多聯合系統，如將微生物燃料電池與硝化反應器耦合，微生物燃料電池陽極室中氨氮流經硝化反應器後被硝化細菌氧化為硝酸根，然後硝酸根再在微生物燃料電池的陰極室被還原為氮氣而去除。雖然這些系統可以提高氮的去除率，但存在氮去除不完全或系統過於複雜不易於放大等不足，且不關注磷的去除。此外，也可以構建微藻型微生物燃料電池，通過微藻光合作用合成生物質消耗汙水中的氮和磷，從而達到去除氮磷和淨化汙水的目的。但是生活汙水中的固體顆粒物和固體懸浮物較多，致使汙水的透光率很低，因此在使用之前必須通過過濾等方法去除汙水中的固體顆粒物和固體懸浮物以提高透光率，這一過程不僅耗能且效率低。與此同時，微藻的收穫成本高，若不收穫，吸收的氮和磷又會釋放到水中。此夕卜，同時生活汙水中存在的有機物濃度較高，有利於細菌的生長，而細菌的大量生長繁殖又不利於、甚至抑制微藻生長。
[0003]微生物電解池(Microbial Electrolysis CelI,MEC)是近年迅速發展起來的一種融合了汙水處理和產生能源的新技術，可以在對汙水進行生物處理的同時獲得不同形式的能源，作為汙水處理的新工藝。如果利用微生物電解池替代上述的微生物燃料電池，可以避免陰極曝空氣所需的能耗，同時將微藻改為浮萍就可以避免使用微藻時面臨的不易收穫的問題。
【發明內容】
[0004]為了解決傳統廢水好氧生物處理、微藻型微生物燃料電池處理有機廢水系統及浮萍單獨處理有機廢水時存在的局限性，本實用新型提供了一種微生物電解池與浮萍培養相結合資源化處理有機廢水的裝置，在處理有機物汙水的同時可以獲得生物燃料甲烷和生物質，獲得的生物質可以作為生物能源生產的原料。本實用新型可同時克服單獨利用微生物電解池處理有機汙水時對氮及磷去除效果差和浮萍無法直接處理有機汙水的缺陷，不僅提高了汙水的處理效果，而且獲得的生物燃料甲烷和生物質可以補償汙水處理的成本，為有效處理有機汙水提供了新途徑，對節能減排和環境治理都具有重要的意義。此外，本實用新型公開了一種能夠克服陰雨天氣以及霧霾天氣對處理效率影響的技術方案，以實現不同氣候條件下的汙水處理自動控制。
[0005]為實現上述目的，本實用新型採用如下技術方案:
[0006]本實用新型提供了一種微生物電解池與浮萍培養相結合資源化處理有機汙水的裝置，其特徵在於:包括微生物電解池、光生物反應器兩個單元；微生物電解池包括微生物電解池殼體2，在微生物電解池殼體2內設置有改變所述有機汙水流向的擋板3、陽極電極4以及陰極電極5，陽極電極4和陰極電極5分別通過鈦絲導線與直流穩壓電源8的高電位端和低電位端相連；所述微生物電解池和光生物反應器連通，所述有機汙水經過所述微生物電解池後進入光生物反應器；所述光生物反應器內培養有浮萍。
[0007]所述的一種微生物電解池與浮萍培養相結合資源化處理有機汙水的裝置，其特徵在於還包括主控制器，所述汙水流量控制閥、出水控制閥、輔助光源、排出控制閥與主控制器的信號輸出端相連，所述光照強度檢測器、氮磷濃度檢測器與主控制器的信號輸入端相連。
[0008]所述的一種微生物電解池與浮萍培養相結合資源化處理有機汙水的裝置，其特徵在於所述輔助光源是白光LED，所述微生物電解池為無膜單室微生物電解池。
[0009]所述的一種微生物電解池與浮萍培養相結合資源化處理有機汙水的裝置，其特徵在於:微生物電解池殼體和光生物反應器採用鋼筋混凝土或碳鋼材質製成。
[0010]所述的微生物電解池與浮萍培養相結合資源化處理有機汙水的裝置，其特徵在於:所述的陰極電極為碳布、顆粒石墨、網狀玻璃碳、顆粒活性炭或碳纖維刷，且在陰極電極的表面附著ifeiAafloAacteria? palustre等電化學活性產甲燒菌。
[0011]所述的微生物電解池與浮萍培養相結合資源化處理有機汙水的裝置，其特徵在於:所述的陽極電極為碳布、顆粒石墨、網狀玻璃碳、顆粒活性炭或碳纖維刷，且在陽極電極表面附著產電微生物。
[0012]所述的一種微生物電解池與浮萍培養相結合資源化處理有機汙水的裝置，其特徵在於:陰極電極的電位為-0.5V'l.5V，所述的直流穩壓電源的輸出電壓為-2.0疒2.0V。
[0013]所述的一種微生物電解池與浮萍培養相結合資源化處理有機廢水的裝置，其特徵在於其處理的廢水為適合微生物生長的有機汙水，包括生活汙水、食品加工廢水、澱粉加工廢水或啤酒廢水。
[0014]另外本實用新型還公開了一種微生物電解池與浮萍培養相結合資源化處理有機汙水的裝置，其特徵在於:包括微生物電解池和光生物反應器兩個單元；微生物電解池包括微生物電解池殼體2，在微生物電解池殼體2內設置有擋板3、陽極電極4和陰極電極5，陽極電極4和陰極電極5分別通過鈦絲導線與直流穩壓電源8的高電位端和低電位端相連，直流穩壓電源8為太陽能發電和輔助電源相結合，微生物電解池殼體2左側壁上設置有汙水進水管I，汙水進水管I上設置有汙水流量控制閥，微生物電解池殼體2頂端設置有氣體收集管6，微生物電解池殼體2右側壁上設置有出水管10，出水管10上設置有出水控制閥；光生物反應器上方設置有輔助光源、光照強度檢測器、氮磷濃度檢測器和排出管12，排出管12上設置有排出控制閥，光生物反應器內培養有浮萍。
[0015]本實用新型所提供的一種利用微生物電解池與浮萍培養相結合資源化處理有機汙水的裝置處理汙水的裝置，首先將有機物汙水注入微生物電解池內作為陽極產電微生物生長的營養源，陽極產電微生物對汙水中的有機物進行分解代謝，在處理汙水的同時產生C02、H+及電子，同時在電輔助下微生物電解池陰極電極表面附著的電活性產甲烷菌將陽極產電微生物代謝有機物產生的C02、H+及電子轉化為生物燃料甲烷，然後再以微生物電解池處理過的汙水培養浮萍，利用浮萍進一步去除汙水中剩餘的氮和磷，同時獲得生物質，獲得的生物質可以作為生物能源生產的原料。
[0016]本實用新型可獲得的有益效果是:提高了汙水中有機物和氮磷的處理效果，而且獲得的生物燃料甲烷和生物質可以補償汙水處理的成本；另外，通過設置輔助光源以及光照強度檢測器，大大提高了整個系統抵抗天氣變化的能力。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1實施例中所述微生物電解池與浮萍培養相結合資源化處理有機廢水原理示意圖。
[0018]圖2本實用新型控制系統連接示意圖。
【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖對本實用新型作進一步詳細說明。
[0020]圖1實施例中所述微生物電解池與浮萍培養相結合資源化處理有機廢水原理示意圖。本實施例利用微生物電解池與浮萍培養相結合資源化處理有機廢水與裝置，具體按以下順序和步驟進行操作:
[0021 ] (I)微生物電解池與光生物反應器耦合系統構建
[0022]參見圖1，微生物電解池與光生物反應器耦合系統包括微生物電解池和光生物反應器兩個單元；微生物電解池包括微生物電解池殼體2，在微生物電解池殼體2內設置有擋板3、陽極電極4和陰極電極5，陽極電極4和陰極電極5分別通過鈦絲導線與直流穩壓電源8的高電位端和低電位端相連，直流穩壓電源為太陽能發電和輔助電源相結合，平時以太陽能發電作為直流穩壓電源8，當太陽能發電所產生的電能不足以維持微生物電解池運行時，開啟輔助電源。微生物電解池殼體2左側壁上設置有汙水進水管1，汙水進水管I上設置有汙水流量控制閥，微生物電解池殼體2頂端設置有氣體收集管6，微生物電解池殼體2右側壁上設置有出水管10，出水管10上設置有出水控制閥；光生物反應器上設置有輔助光源、光照強度檢測器、氮磷濃度檢測器和排出管12，排出管12上設置有排出控制閥，光生物反應器內培養有浮萍。
[0023](2)微生物電解池與光生物反應器耦合系統的啟動
[0024]本實用新型提出的微生物電解池與浮萍培養相結合資源化處理有機廢水系統的啟動過程如下:
[0025]I)生物陰極製作
[0026]將電活性產甲燒菌palustre首先用ATCC指定使用的專用培養基ATCC? Medium 2487的500 mL帶厚橡膠塞血清瓶中厭氧培養[H2-CO2 (80:20，v/v)]。在接種到微生物電解池前，取250 mL上述培養液離心後再將濃縮物懸浮分散到無氧氣、滅菌的ATCC? Medium 2487培養基中，然後將上述細胞懸液接種到厭氧的微生物電解池，並立即鼓充CO2，直流穩壓電源8的電壓固定為-0.9 V。在電輔助下，通過微生物電解池陰極表面附著的電活性產甲燒菌palustre的催化作用將CO2氣體還原為CH4。定期對微生物電解池的電流數據進行採樣，待微生物電解池的電流最大且穩定後，認為電活性產甲燒菌palustre在陰極電極表面充分附著,生物陰極的製作完成。
[0027]2)生物陽極製作
[0028]以汙水處理廠的厭氧活性汙泥為接種物，以汙水處理廠的初沉溢流液為培養基，純氮氣除氧氣後按1:9 (v/v)的比例接種微生物電解池富集陽極產電微生物。微生物電解池為批次操作，每次實驗結束後按上述比例加入接種物與培養基的混合液。直流穩壓電源8的電壓固定為-0.9 V，定期對微生物電解池的電流數據進行採樣，待微生物電解池的電流最大且穩定後，認為在陽極電極表面充分附著了產電微生物，此時生物陽極極的製作完成。
[0029]3)有機汙水處理
[0030]待生物陰極和生物陽極製作完成後，將待處理的有機汙水除去氧氣後經進水管I依次流經微生物電解池內的陽極電極4、陰極電極5、微生物電解池出水口 10及光生物反應器11，然後經排水管12流出。同時直流穩壓電源8的電壓固定為-0.9 V。陽極電極4表面附著的產電微生物以汙水中的有機物為底物，在處理汙水的同時產生CO2、H+及電子，產生的C02、H+及電子遷移到陰極，同時在電輔助下陰極電極5表面附著的
等電活性產甲烷菌捕獲CO2，催化C02、H+及電子轉化為生物燃料甲烷，具體化學反應方程式如下:
[0031 ]陽極電極 CJiy Os + ηΗ2 CO1+H* +§-
[0032]陰極電極CO2 +SH+ +Be/f4 + IH2O
[0033]而所產生的CO2和CH4等氣體經氣體收集管6排出並收集。
[0034]將篩選獲得的浮萍接種到光生物反應器11，以微生物電解池的出水為培養液，利用浮萍光合作用去除汙水中剩餘的氮和磷，從而達到去除氮磷和淨化汙水的目的，同時獲得浮萍生物質。與此同時，定期對生物反應器11中的浮萍進行收穫，以防止浮萍死亡後沉入水中釋放吸收的氮和磷。廢水經過優化處理後，廢水中的化學需氧量、氮及磷的濃度低於國家一級排放標準要求的濃度。
【權利要求】
1.一種微生物電解池與浮萍培養相結合資源化處理有機廢水的裝置，其特徵在於:包括微生物電解池、光生物反應器兩個單元；微生物電解池包括微生物電解池殼體(2)，在微生物電解池殼體(2)內設置有改變所述有機廢水流向的擋板(3)、陽極電極(4)以及陰極電極(5)，陽極電極(4)和陰極電極(5)分別通過鈦絲導線與直流穩壓電源(8)的高電位端和低電位端相連；所述微生物電解池和光生物反應器連通，所述有機廢水經過所述微生物電解池後進入光生物反應器；所述光生物反應器內培養有浮萍。
2.如權利要求1所述的一種微生物電解池與浮萍培養相結合資源化處理有機廢水的裝置，其特徵在於微生物電解池殼體(2)左側壁上設置有廢水進水管(I )，廢水進水管(I)上設置有廢水流量控制閥，微生物電解池殼體(2)頂端設置有氣體收集管(6)，微生物電解池殼體(2 )右側壁上設置有出水管(10 )，出水管(10 )上設置有出水控制閥。
3.如權利要求1或2所述的一種微生物電解池與浮萍培養相結合資源化處理有機廢水的裝置，其特徵在於光生物反應器上設置有輔助光源、光照強度檢測器、氮磷濃度檢測器和排出管(12)，排出管(12)上設置有排出控制閥。
4.如權利要求3所述的一種微生物電解池與浮萍培養相結合資源化處理有機廢水的裝置，其特徵在於該處理有機廢水的裝置還包括主控制器，所述廢水流量控制閥、出水控制閥、輔助光源、排出控制閥與主控制器的信號輸出端相連，所述光照強度檢測器、氮磷濃度檢測器與主控制器的信號輸入端相連。
5.如權利要求3所述的一種微生物電解池與浮萍培養相結合資源化處理有機廢水的裝置，其特徵在於所述輔助光源是LED節能燈。
6.如權利要求1或2所述的一種微生物電解池與浮萍培養相結合資源化處理有機廢水的裝置，其特徵在於:微生物電解池殼體和光生物反應器採用鋼筋混凝土或碳鋼材質製成。
7.如權利要求1或2所述的一種微生物電解池與浮萍培養相結合資源化處理有機廢水的裝置，其特徵在於:所述的陰極電極為碳布、顆粒石墨、網狀玻璃碳、顆粒活性炭或碳纖維刷，且在陰極電極的表面附著電化學活性產甲烷菌。
8.如權利要求1或2所述的一種微生物電解池與浮萍培養相結合資源化處理有機廢水的裝置，其特徵在於:所述的陽極電極為碳布、顆粒石墨、網狀玻璃碳、顆粒活性炭或碳纖維刷，且在陽極電極表面附著產電微生物。
9.如權利要求1或2所述的一種微生物電解池與浮萍培養相結合資源化處理有機廢水的裝置，其特徵在於所述微生物電解池為無膜單室微生物電解池。
【文檔編號】A01G31/02GK203922925SQ201420152614
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年3月31日 優先權日:2014年3月31日
【發明者】蔣海明, 潘建剛, 李俠 申請人:內蒙古科技大學