CN109761339B - 微生态周期切换式废水处理微生物电化学*** - Google Patents
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Abstract
微生态周期切换式废水处理微生物电化学***，本发明属于废水处理技术领域，废水依次流经微生态周期切换式微生物燃料电池堆与微生态周期切换式微生物电解池，得到两级处理；可依据所处理废水的水质水量特点及负荷条件的变化，及时改变外部管路的阀门切换模式与切换频率，使得微生态周期切换式微生物燃料电池及微生态周期切换式微生物电解池分别按照厌氧折流板反应器、升流式厌氧污泥床反应器或介于二者之间的方式运行，以得到废水处理及废水中能源(氢气及其他具有附加价值的化学物质)回收与利用的最优耦合效果，极具灵活性，有利于微生物电化学技术真正实现工程化、工业化和商业化。
Description
技术领域
本发明属于废水处理技术领域，特别是涉及到一种微生态周期切换式微生物燃料电池驱动微生态周期切换式微生物电解池电解的耦合微生物电化学***。
背景技术
微生物电化学***是一种废水生物处理方法，将微生物的电子传递体系与传统的电化学体系相结合,形成微生物、反应物、电极的耦合体系,从而整合生物法、电解电离及电化学氧化还原等方法的优点。微生物电化学***主要包括微生物燃料电池和微生物电解池。微生物燃料电池利用微生物作为催化剂氧化分解废水中的有机化合物,同时产生电流,将有机物中的化学能转化为电能,具有废水处理和电能回收的双重功能。但微生物燃料电池的工程应用存在产生的电流小，废水处理效率低等问题。微生物电解池是一种近年来新兴的生物制氢技术，只需要施加0.3-1.0V的外电压，便可将有机废水转化为氢气及其他具有附加价值的化学物质，而电解水制氢则通常需要施加1.8-2.0V以上的电压。因此，以微生物燃料电池驱动微生物电解池的耦合微生物电化学***进行废水处理在环境及能源领域日益受到广泛关注。影响微生物燃料电池/微生物电解池效能的因素包括其内的微生物、阳极、阴极、膜、废水底物成分及组成，以及微生物燃料电池/微生物电解池的设计与结构。
通过优选微生物、改善电极材料和优化运行条件等方法，微生物燃料电池/微生物电解池的效能已取得了较大的提高，但仍存在无法实现根据所处理污水的水质水量特点及负荷条件的改变而及时调节微生物燃料电池/微生物电解池内的微生态环境，同时优化废水处理并充分回收和利用废水中能源的目的。因此，亟需将微生物燃料电池/微生物电解池与传统的废水生物处理技术有机结合起来，使其真正实现工程化、工业化和商业化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种微生态周期切换式废水处理微生物电化学***，可依据所处理污水的水质水量特点及负荷条件的改变而及时变换外部管路的阀门切换模式与切换频率，使得微生态周期切换式微生物燃料电池堆及微生态周期切换式微生物电解池分别按照厌氧折流板反应器、升流式厌氧污泥床反应器或介于二者之间的方式运行，以得到废水处理和废水中能源(氢气及其他具有附加价值的化学物质)回收与利用的最优耦合效果，极具灵活性，有利于微生物电化学技术真正实现工程化、工业化和商业化。
微生态周期切换式废水处理微生物电化学***，其特征是：包括微生态周期切换式微生物燃料电池堆和微生态周期切换式微生物电解池，所述微生态周期切换式微生物燃料电池堆和微生态周期切换式微生物电解池之间通过电阻串联，将微生态周期切换式微生物燃料电池堆所产电能用以驱动微生态周期切换式微生物电解池；
所述微生态周期切换式微生物电解池，包括圆管Ⅰ、圆管Ⅱ、上盖板以及下底板，所述圆管Ⅰ设置在圆管Ⅱ的内部，且与圆管Ⅱ同轴，所述圆管Ⅰ和圆管Ⅱ组成的环形结构通过四块隔板将其均分为四个隔室，所述每个隔室内部均设置有一个折板，每个隔室的外侧壁上均设置有一个进水孔和出水孔，所述上盖板上对应每个隔室的位置内设置有一个导气孔和外接电路预留孔，所述下底板上设置有排空孔；
所述每个隔室内均设置有石墨毡阳极和阴极，所述石墨毡阳极通过不锈钢丝与微生态周期切换式微生物燃料电池堆的正极连接；
所述阴极包括不锈钢网Ⅰ、不锈钢网Ⅱ以及不锈钢支架，所述不锈钢网Ⅰ和不锈钢网Ⅱ的几何中心位置通过不锈钢支架连接，所述不锈钢支架穿过上盖板上设置的外接电路预留孔与微生态周期切换式微生物燃料电池堆的负极相连，所述不锈钢网Ⅰ和不锈钢网Ⅱ与隔板、圆管Ⅰ以及圆管Ⅱ均为非接触；
所述圆管Ⅱ的外侧壁上设置有十二个阀门，每个隔室上均设置有三个阀门，十二个阀门用于完成四个隔室的微生态周期式切换。
所述每个隔室上流区出水孔，位于与远离阳极的一侧隔板成30°圆心角的圆管Ⅱ侧壁母线上；每个隔室下流区进水孔位于下流区横剖面所对应圆心角的角平分线上，各隔室侧壁上设置的出水孔位置高于进水孔位置。
所述外接电路预留孔的中心位于与远离阳极的一侧隔板成30°圆心角的圆管Ⅰ与圆管Ⅱ之间空间径向线的中点上。
所述上盖板上的导气孔均通过胶圈和丝扣密封。
所述不锈钢网Ⅰ和不锈钢网Ⅱ与水平方向成60°角设置，二者间距为圆管Ⅰ外径与圆管Ⅱ内径差值的0.5倍，二者径向长度的投影均为圆管Ⅰ外径与圆管Ⅱ内径差值的0.8倍，二者径向长度均为圆管Ⅰ外径与圆管Ⅱ内径差值的1.6倍，二者远离阳极的一侧径向边水平投影与靠近阳极的一侧径向边水平投影成50°圆心角，二者上边缘位于各隔室自由液面以下，与自由液面的距离为圆管Ⅰ外径与圆管Ⅱ内径差值的0.5倍。
所述每个隔室电解的电流电压由微生态周期切换式微生物燃料电池堆输出的电能供给，并通过调节所述电阻控制四个隔室的电解在稳压稳流条件下同步并联运行。
废水处理的流程为，废水依次流经微生态周期切换式微生物燃料电池堆与微生态周期切换式微生物电解池，得到两级处理；且通过改变外部管路的阀门切换模式与切换频率，将微生态周期切换式微生物燃料电池堆与微生态周期切换式微生物电解池分别按照厌氧折流板反应器、升流式厌氧污泥床反应器或介于二者之间的方式运行。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：一种微生态周期切换式废水处理微生物电化学***，废水依次流经微生态周期切换式微生物燃料电池堆与微生态周期切换式微生物电解池，得到两级处理；可依据所处理废水的水质水量特点及负荷条件的变化，而及时改变外部管路的阀门切换模式与切换频率，使得微生态周期切换式微生物燃料电池堆与微生态周期切换式微生物电解池分别按照厌氧折流板反应器、升流式厌氧污泥床反应器或介于二者之间的方式运行，以得到废水处理及废水中能源(氢气及其他具有附加价值的化学物质)回收与利用的最优耦合效果，极具灵活性，有利于微生物电化学技术真正实现工程化、工业化和商业化。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：
图1为本发明微生态周期切换式废水处理微生物电化学***构成示意图。
图2为本发明微生态周期切换式微生物电解池主体框架示意图。
图3为本发明微生态周期切换式微生物电解池阴极位置俯视示意图。
图4为本发明微生态周期切换式微生物电解池阴极纵剖面示意图。
图中1-圆管Ⅰ、2-圆管Ⅱ、3-上盖板、4-下底板、5-隔板、6-隔室、7-折板、8-进水孔、9-出水孔、10-不锈钢网Ⅰ、11-不锈钢网Ⅱ、12-不锈钢支架、13-外接电路预留孔、14-导气孔。
具体实施方式
微生态周期切换式废水处理微生物电化学***，如图1所示，包括微生态周期切换式微生物燃料电池堆和微生态周期切换式微生物电解池，微生态周期切换式微生物燃料电池堆所产电能用以驱动微生态周期切换式微生物电解池电解；二者之间串联电阻,以便收集和计算电路中电流；
所述微生态周期切换式微生物燃料电池堆为现有技术；
所述微生态周期切换式微生物电解池由有机玻璃材质制备，如图2、图3以及图4所示，包括圆管Ⅰ1、圆管Ⅱ2、上盖板3以及下底板4，所述圆管Ⅰ1设置在圆管Ⅱ2的内部，且与圆管Ⅱ2同轴，所述圆管Ⅰ1和圆管Ⅱ2组成的环形结构通过四块隔板5将其均分为四个隔室6，所述每个隔室6内部均设置有一个折板7，每个隔室6的外侧壁上均设置有一个进水孔8和出水孔9，所述上盖板3上对应每个隔室6的位置内设置有一个导气孔14和外接电路预留孔13，所述每个导气预留孔均通过胶圈和丝扣密封，所述下底板4上设置有排空孔；
所述每个隔室上流区出水孔，位于与远离阳极的一侧隔板成30°圆心角的圆管TⅡ侧壁母线上；每个隔室下流区进水孔位于下流区横剖面所对应圆心角的角平分线上，各隔室侧壁上设置的出水孔位置高于进水口位置。
所述每个隔室6内均设置有石墨毡阳极和阴极，所述石墨毡阳极通过不锈钢丝与微生态周期切换式微生物燃料电池堆的正极连接；
所述阴极包括不锈钢网Ⅰ10、不锈钢网Ⅱ11以及不锈钢支架12，所述不锈钢网Ⅰ10和不锈钢网Ⅱ11的几何中心位置通过不锈钢支架12连接，所述不锈钢支架12穿过上盖板9上设置的外接电路预留孔13与微生态周期切换式微生物燃料电池堆的负极相连，所述不锈钢网Ⅰ10和不锈钢网Ⅱ11与隔板5、圆管Ⅰ1以及圆管Ⅱ2均为非接触；所述阴极的两块完全相同并上下重叠的不锈钢网，亦有对每个隔室上流区出水区域进行气、液、固三相分离的作用；
所述两块不锈钢网与水平方向成60°角设置，二者间距为圆管Ⅰ1外径与圆管Ⅱ2内径差值的0.5倍，二者上边缘位于各隔室6自由液面以下，与自由液面的距离为圆管Ⅰ1外径与圆管Ⅱ2内径差值的0.5倍，二者径向长度的投影均为圆管1Ⅰ外径与圆管Ⅱ2内径差值的0.8倍，二者径向长度均为圆管Ⅰ1外径与圆管Ⅱ2内径差值的1.6倍，二者远离阳极的一侧径向边水平投影与所在隔室6远离阳极的一侧隔板成5°圆心角，二者靠近阳极的一侧径向边水平投影与所在隔室6远离阳极的一侧隔板成55°圆心角，即二者远离阳极的一侧径向边水平投影与靠近阳极的一侧径向边水平投影成50°圆心角；二者与隔室隔板5、圆管Ⅰ1及圆管Ⅱ2均非接触。
所述每个隔室6上均设置有三个阀门，圆管Ⅱ的外侧壁上设置有十二个阀门，四个隔室的微生态周期式切换通过十二个阀门的周期式切换得以实现。
所述每个隔室6电解的电流电压由微生态周期切换式微生物燃料电池堆输出的电能供给，可通过调节所述电阻以保证四个隔室的电解在稳压稳流条件下同步并联运行。
所述石墨毡阳极的金属连接部件和所述阴极的所有部件，亦可全部替换为镍基合金。
所述有机玻璃可以由其余不导电且符合力学要求的材料替代。
本发明废水处理的流程为：废水先流入微生态周期切换式微生物燃料电池堆，其出水再流入微生态周期切换式微生物电解池，废水得到两级处理，且形成一种微生态周期切换式微生物燃料电池堆驱动微生态周期切换式微生物电解池电解的耦合微生物电化学***；可依据所处理废水的水质水量特点及负荷条件的变化而及时变换外部管路的阀门切换模式与切换频率，使得微生态周期切换式微生物燃料电池堆与微生态周期切换式微生物电解池分别按照厌氧折流板反应器、升流式厌氧污泥床反应器或介于二者之间的方式运行，以得到废水处理及废水中能源(氢气及其他具有附加价值的化学物质)回收与利用的最优耦合效果，极具灵活性。
Claims (7)
1.微生态周期切换式废水处理微生物电化学***，其特征是：包括微生态周期切换式微生物燃料电池堆和微生态周期切换式微生物电解池，所述微生态周期切换式微生物燃料电池堆和微生态周期切换式微生物电解池之间通过电阻串联，将微生态周期切换式微生物燃料电池堆所产电能用以驱动微生态周期切换式微生物电解池电解；
所述微生态周期切换式微生物电解池，包括圆管Ⅰ(1)、圆管Ⅱ(2)、上盖板(3)以及下底板(4)，所述圆管Ⅰ(1)设置在圆管Ⅱ(2)的内部，且与圆管Ⅱ(2)同轴，所述圆管Ⅰ(1)和圆管Ⅱ(2)组成的环形结构通过四块隔板(5)将其均分为四个隔室(6)，每个隔室(6)内部均设置有一个折板(7)，每个隔室(6)的外侧壁上均设置有一个进水孔(8)和出水孔(9)，所述上盖板(3)上对应每个隔室(6)的位置设置有一个导气孔(14)和外接电路预留孔(13)，所述下底板(4)上设置有排空孔；
所述每个隔室(6)内均设置有石墨毡阳极和阴极，所述石墨毡阳极通过不锈钢丝与微生态周期切换式微生物燃料电池堆的正极连接；
所述阴极包括不锈钢网Ⅰ(10)、不锈钢网Ⅱ(11)以及不锈钢支架(12)，所述不锈钢网Ⅰ(10)和不锈钢网Ⅱ(11)的几何中心位置通过不锈钢支架(12)连接，所述不锈钢支架(12)穿过上盖板(3)上设置的外接电路预留孔(13)与微生态周期切换式微生物燃料电池堆的负极相连，所述不锈钢网Ⅰ(10)和不锈钢网Ⅱ(11)与隔板(5)、圆管Ⅰ(1)以及圆管Ⅱ(2)均为非接触；
所述圆管Ⅱ(2)的外侧壁上设置有十二个阀门，每个隔室(6)上均设置有三个阀门，十二个阀门用于完成四个隔室(6)的微生态周期式切换。
2.根据权利要求1所述的微生态周期切换式废水处理微生物电化学***，其特征是：所述每个隔室(6)上流区出水孔(9)，位于与远离阳极的一侧隔板成30°圆心角的圆管Ⅱ(2)侧壁母线上；每个隔室(6)下流区进水孔(8)位于下流区横剖面所对应圆心角的角平分线上，各隔室(6)侧壁上设置的出水孔(9)位置高于进水孔(8)位置。
3.根据权利要求1所述的微生态周期切换式废水处理微生物电化学***，其特征是：所述外接电路预留孔(13)的中心位于与远离阳极的一侧隔板(5)成30°圆心角的圆管Ⅰ(1)与圆管Ⅱ(2)之间空间径向线的中点上。
4.根据权利要求1所述的微生态周期切换式废水处理微生物电化学***，其特征是：所述上盖板(3)上的导气孔(14)均通过胶圈和丝扣密封。
5.根据权利要求1所述的微生态周期切换式废水处理微生物电化学***，其特征是：所述不锈钢网Ⅰ(10)和不锈钢网Ⅱ(11)与水平方向成60°角设置，二者间距为圆管Ⅰ(1)外径与圆管Ⅱ(2)内径差值的0.5倍，二者径向长度的投影均为圆管Ⅰ(1)外径与圆管Ⅱ(2)内径差值的0.8倍，二者径向长度均为圆管Ⅰ(1)外径与圆管Ⅱ(2)内径差值的1.6倍，二者远离阳极的一侧径向边水平投影与靠近阳极的一侧径向边水平投影成50°圆心角，二者上边缘位于各隔室(6)自由液面以下，与自由液面的距离为圆管Ⅰ(1)外径与圆管Ⅱ(2)内径差值的0.5倍。
6.根据权利要求1所述的微生态周期切换式废水处理微生物电化学***，其特征是：所述每个隔室(6)电解的电流电压由微生态周期切换式微生物燃料电池堆输出的电能供给，并通过调节所述电阻控制四个隔室的电解在稳压稳流条件下同步并联运行。
7.根据权利要求1所述的微生态周期切换式废水处理微生物电化学***，其特征是：废水处理流程为，废水依次流经微生态周期切换式微生物燃料电池堆与微生态周期切换式微生物电解池，得到两级处理；且通过改变外部管路的阀门切换模式与切换频率，将微生态周期切换式微生物燃料电池堆与微生态周期切换式微生物电解池分别按照厌氧折流板反应器、升流式厌氧污泥床反应器或介于二者之间的方式运行。
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