一種集有機污水處理和產(chǎn)甲烷于一體的微生物電解池裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種集有機污水處理和產(chǎn)甲烷于一體的微生物電解池裝置，通過污水進(jìn)水管9將除氧氣的有機物污水注入微生物電解池內(nèi)作為陽極產(chǎn)電微生物生長的營養(yǎng)源，陽極產(chǎn)電微生物對污水中的有機物進(jìn)行分解代謝，在污水處理的同時產(chǎn)生CO2、H+及電子。同時在電輔助下，陰極電極4表面附著的電活性產(chǎn)甲烷菌將陽極產(chǎn)電微生物代謝有機物產(chǎn)生的CO2、H+及電子轉(zhuǎn)化為甲烷。本發(fā)明裝置集污水處理、CO2捕獲及產(chǎn)甲烷于一體，具有結(jié)構(gòu)簡單、建造成本低，且易規(guī)模放大等特點。此外，污水依次流經(jīng)陽極區(qū)和陰極區(qū)，避免了在陰極添加電化學(xué)活性產(chǎn)甲烷菌培養(yǎng)基，降低了成本。因此本裝置在有機污水能源化利用方面具有很好的應(yīng)用前景。
【專利說明】-種集有機污水處理和產(chǎn)甲烷于一體的微生物電解池裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種在處理有機污水的同時產(chǎn)甲烷的裝置，屬生物電化學(xué)、環(huán)境和生 物能源的交叉領(lǐng)域，具體涉及一種集有機污水處理和產(chǎn)甲烷于一體的微生物電解池裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 能源、環(huán)境與水資源是人類賴以生存的基礎(chǔ)。近年來隨著化石燃料，特別是石油和 天然氣使用量的快速增長，觸發(fā)了全球性的能源危機。此外，化石燃料在使用過程中排放的 大量C0 2會引起溫室效應(yīng)，并導(dǎo)致氣候變暖。與此同時，化石燃料的開采與使用導(dǎo)致各種生 態(tài)破壞及環(huán)境污染。隨著全球氣候變化與低碳經(jīng)濟發(fā)展的趨勢不可避免，開發(fā)清潔能源、減 少碳排放正成為國際社會各國的新目標(biāo)，而節(jié)能減排也已成為世界經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境保護的 主題之一。與此同時，人們在日常生活、生產(chǎn)過程中產(chǎn)生了大量的有機污水。目前，廣泛采 用的污水處理技術(shù)主要是好氧生物處理，其中又以活性污泥法為主。然而，活性污泥法處理 污水能耗高，同時，活性污泥法還產(chǎn)生大量的污泥，而對污泥的處理也需要很高的費用。污 水中的有機物既是污染物，同時也含能量，可以通過資源化利用的方式去除。如污水中潛在 的能量大約為污水處理時所消耗電能的10倍。各種碳中和及可再生的能源技術(shù)是緩解目 前全球能源與全球變暖危機及減少環(huán)境污染的重要途徑。
[0003] 微生物電解池 （Microbial Electrolysis Cell,MEC)是近年迅速發(fā)展起來的一種 融合了污水處理和產(chǎn)生能源的新技術(shù)，可以在對污水進(jìn)行生物處理的同時獲得不同形式的 能源，作為污水處理的新工藝，引起了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。MEC技術(shù)不僅克服了傳統(tǒng)廢水生 物處理過程的缺點，而且回收的能源可以降低污水處理的成本。在能源、環(huán)境和水資源等 問題日趨嚴(yán)重的今天，MEC可以實現(xiàn)減少污染物排放和對化石類燃料依賴及污水再生利用 三大目標(biāo)，達(dá)到經(jīng)濟和環(huán)境的雙贏，這為有機污水的資源化處理提供了新思路。利用生物 陰極的微生物電解池還原二氧化碳生產(chǎn)甲烷和乙酸的研究已有報道（W02009/155587A2，CN 201210447449. 3)。該方法使用生物陰極作為催化劑，無需氫氣及有機物的添加便可合成甲 烷。此外，集C02轉(zhuǎn)化、污水處理預(yù)一體的微生物電解池裝置也有報道（CN 201110209150. X)。該裝置利用離子交換膜將微生物電解池的陽極室和陰極室隔開，陽極室產(chǎn)生的C02通 過導(dǎo)氣管道進(jìn)入陰極室，在陰極室實現(xiàn)C0 2捕獲以及向CH4轉(zhuǎn)化，從而實現(xiàn)C02減排和有效 利用的理念。但是該裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、建造成本高，且不易規(guī)模放大。
[0004] 因此，有必要研究和開發(fā)結(jié)構(gòu)簡單、建造成本低，且易規(guī)模放大的集co2轉(zhuǎn)化、污水 處理于一體的微生物電解池裝置。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種能夠在實現(xiàn)污水處理、捕捉C02的同時，實現(xiàn)C0 2向CH4 轉(zhuǎn)化的集污水處理、C02轉(zhuǎn)化甲烷于一體的結(jié)構(gòu)簡單、建造成本低，且易規(guī)模放大的微生物 電解池裝置。
[0006] 為解決上述問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案： 本發(fā)明提供了一種集有機污水處理和產(chǎn)甲烷于一體的微生物電解池裝置，其特征在 于：所述裝置包括微生物電解池殼，在微生物電解池殼體內(nèi)設(shè)置有陽極電極和陰極電極，陰 極電極和陽極電極分別通過鈦絲與外接直流穩(wěn)壓電源的低電位端和高電位端相連，微生物 電解池殼體的下端側(cè)面設(shè)有進(jìn)水管，進(jìn)水管與布水器相連，微生物電解池殼體底端設(shè)有污 泥排放管和閥，微生物電解池殼體上端側(cè)面設(shè)有排水管，微生物電解池殼體頂端設(shè)有氣體 收集管。
[0007] 本發(fā)明的所述微生物電解池裝置還包括設(shè)置于進(jìn)水管處用于控制污水進(jìn)水流量 和/或通斷的進(jìn)水控制閥、設(shè)置于排水管處用于控制排水流量和/或通斷的排水控制閥、設(shè) 置于氣體收集管處用于檢測氣體成分和流量的氣體監(jiān)測裝置、污水處理自動控制裝置以及 用于輸入控制指令的人機操作面板；氣體監(jiān)測裝置和人機操作面板連接到污水處理自動控 制裝置的信號輸入端，進(jìn)水控制閥、排水控制閥以及污泥排放閥連接到污水處理自動控制 裝置的信號輸出端；所述污水處理自動控制裝置可以為現(xiàn)有的計算機或單片機。
[0008] 所述微生物電解池裝置具有連續(xù)處理模式和封閉處理模式； 連續(xù)處理模式是所述裝置的默認(rèn)工作模式，在此模式下，污水處理自動控制裝置根據(jù) 氣體監(jiān)測裝置獲取的氣體成分和流量信息，判斷微生物電解的效率，從而控制進(jìn)水控制閥、 排水控制閥保持適當(dāng)?shù)牧髁?，即?dāng)檢測到的C0 2和甲烷氣體的流量之和高于第一閾值時，輸 出控制信號使進(jìn)水控制閥、排水控制閥處于高流量狀態(tài)，當(dāng)檢測到的C0 2和甲烷氣體的流量 之和低于第二閾值時，輸出控制信號使進(jìn)水控制閥、排水控制閥處于低流量狀態(tài)。此外，污 水處理自動控制裝置按照第一預(yù)定時間間隔輸出控制信號打開污泥排放閥。該連續(xù)處理模 式的優(yōu)點在于能夠以可接受的污水處理效果實現(xiàn)高效的污水處理。
[0009] 封閉處理模式旨在于達(dá)到最高的污水處理效果，此模式的具體步驟為：a、污水處 理自動控制裝置首先輸出控制信號使進(jìn)水控制閥打開而排水控制閥關(guān)閉，當(dāng)污水流量接近 電解池的體積時，污水處理自動控制裝置輸出控制信號關(guān)閉進(jìn)水控制閥，其中輸出使進(jìn)水 控制閥打開的控制信號的時刻為氣體流量計算的起始點；b、之后進(jìn)入處理等待階段，當(dāng)檢 測到的co 2和甲烷氣體的流量之和低于第三閾值時，污水處理自動控制裝置輸出控制信號 同時使進(jìn)水控制閥處于高流量狀態(tài)、排水控制閥處于低流量狀態(tài)；C、經(jīng)過第二預(yù)定時間間 隔后再次輸出控制信號關(guān)閉進(jìn)水控制閥和排水控制閥。
[0010] 首次執(zhí)行封閉處理模式從步驟1進(jìn)入，之后循環(huán)步驟2和3實現(xiàn)最優(yōu)化的污水處 理效果。優(yōu)選所述第三閾值低于第一閾值和第二閾值。
[0011] 所述第一預(yù)定時間間隔為1分鐘至1小時，優(yōu)選1分鐘、2分鐘、5分鐘、10分鐘、15 分鐘、30分鐘。
[0012] 所述第二預(yù)定時間間隔視電解池的容量以及進(jìn)水、排水的速率而定，可以為10秒 至1小時，優(yōu)選10秒、20秒、30秒、1分鐘、2分鐘、5分鐘、10分鐘、15分鐘、45分鐘。
[0013] 本發(fā)明的微生物電解池殼體采用有機玻璃、PVC、玻璃、鋼筋混凝土或碳鋼材質(zhì)制 成。
[0014] 本發(fā)明所述的陰極電極為碳纖維刷，陽極電極采用碳纖維刷、網(wǎng)狀玻璃碳或顆粒 石墨，且在陰極電極的表面附著電化學(xué)活性產(chǎn)甲燒菌ifeieriw? ire，陽極電 極表面附著電化學(xué)活性微生物。
[0015] 本發(fā)明所述的陰極電極的電位為-0. 5疒-1. 5V，所述的直流穩(wěn)壓電源的直流輸出 電壓為-2. OV?2. OV。
[0016] 本發(fā)明所述裝置為連續(xù)操作，污水脫氧氣后經(jīng)進(jìn)水管、布水器依次流經(jīng)微生物電 解池殼體內(nèi)的陽極電極和陰極電極，然后經(jīng)排水管流出，而所產(chǎn)生的C0 2和CH4等氣體經(jīng)氣 體收集管排出并收集。
[0017] 污水處理：通過污水進(jìn)水管將除氧氣的有機物污水注入微生物電解池內(nèi)作為陽極 產(chǎn)電微生物生長的營養(yǎng)源，陽極產(chǎn)電微生物對污水中的有機物進(jìn)行分解代謝，實現(xiàn)污水處 理。
[0018] C02捕獲與轉(zhuǎn)化：陽極產(chǎn)電微生物對污水中的有機物進(jìn)行分解代謝時產(chǎn)生C02、H+ 及電子遷移到陰極，在電輔助下陰極電極表面附著的電活性產(chǎn)甲烷菌捕獲co 2，催化co2、h+ 及電子轉(zhuǎn)化為甲烷。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019] 圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0021] 參見圖1，本發(fā)明裝置包括采用有機玻璃、PVC、玻璃或混凝土等材質(zhì)制成的微生物 電解池殼體1，在微生物電解池殼體1內(nèi)設(shè)置有陽極電極8和陰極電極4,陰極電極4和陽 極電極8分別通過鈦絲5和鈦絲7與外接直流穩(wěn)壓電源6的低電位端和高電位端相連，直 流穩(wěn)壓電源6為太陽能發(fā)電和輔助電源相結(jié)合，平時以太陽能發(fā)電作為直流穩(wěn)壓電源，當(dāng) 太陽能發(fā)電所產(chǎn)生的電能不足以維持微生物電解池運行時，開啟輔助電源。所述的陰極電 極4為碳纖維刷，陽極電極8采用碳纖維刷、網(wǎng)狀玻璃碳或顆粒石墨，且在陰極電極4的表 面附著ifeieriw? ire等電化學(xué)活性產(chǎn)甲燒菌，陽極電極8表面附著產(chǎn)電微 生物，微生物電解池殼1的下端側(cè)面設(shè)有進(jìn)水管9,進(jìn)水管9與布水器10相連，微生物電解 池殼體1底端設(shè)有污泥排放管11和閥12,微生物電解池殼體1上端側(cè)面設(shè)有排水管2,微 生物電解池殼體1頂端設(shè)有氣體收集管3。
[0022] 陽極電極8表面附著的產(chǎn)電微生物代謝污水中的有機物產(chǎn)生C02、H+及電子；產(chǎn) 生的C0 2、H+及電子遷移到陰極，在電輔助下陰極電極4表面附著的 等電活性產(chǎn)甲烷菌捕獲C02，催化C02、H+及電子轉(zhuǎn)化為甲烷。本發(fā)明具有污水處 理和C02資源化利用相結(jié)合的特點。
[0023] 本發(fā)明提出的集污水處理、C02捕捉及產(chǎn)甲烷于一體的生物電化學(xué)系統(tǒng)的啟動過 程如下： (1)生物陰極制作：將電活性產(chǎn)甲燒菌ifeiAafloAacieriw? 首先用ATCC指 定使用的專用培養(yǎng)基ATCC? Medium 2487的500 mL帶厚橡膠塞血清瓶中厭氧培養(yǎng)[H2-C02 (80:20, v/v)]。在接種到微生物電解池前，取250 mL上述培養(yǎng)液離心后再將濃縮物懸浮 分散到無氧氣、滅菌的ATCC? Medium 2487培養(yǎng)基中，然后將上述細(xì)胞懸液接種到厭氧的微 生物電解池，并立即鼓充C02，直流穩(wěn)壓電源的電壓固定為-0.9V。在電輔助下，通過微生物 電解池陰極表面附著的電活性產(chǎn)甲燒菌ifeiAafloAacieriw? pa/iAsire的催化作用將C02氣 體還原為CH4。定期對微生物電解池的電流數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，待微生物電解池的電流最大且穩(wěn) 定后，認(rèn)為電活性產(chǎn)甲燒菌ifeieriw? /7<3/?5·ire在陰極電極表面充分附著，生物陰 極的制作完成； (2) 生物陽極制作：以污水處理廠的厭氧活性污泥為接種物，以污水處理廠的初沉溢流 液為培養(yǎng)基，純氮氣除氧氣后按1:9 (v/v)的比例接種微生物電解池富集陽極產(chǎn)電微生物。 微生物電解池為批次操作，每次實驗結(jié)束后按上述比例加入接種物與培養(yǎng)基的混合液。直 流穩(wěn)壓電源的電壓固定為-0. 9V，定期對微生物電解池的電流數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，待微生物電解 池的電流最大且穩(wěn)定后，認(rèn)為在陽極電極表面充分附著了產(chǎn)電微生物，此時生物陽極極的 制作完成； (3) 待生物陰極和生物陽極制作完成后，將待處理的有機污水除去氧氣后經(jīng)進(jìn)水管、布 水器依次流經(jīng)微生物電解池內(nèi)的陽極電極和陰極電極，然后經(jīng)微生物電解池排水管流出， 同時直流穩(wěn)壓電源的電壓固定為-〇. 9V。陽極電極表面附著的產(chǎn)電微生物代謝污水中的有 機物產(chǎn)生C02、H+及電子，產(chǎn)生的C02、H+及電子遷移到陰極，同時在電輔助下陰極電極表面 附著的ifeieriw?押/狀ire等電活性產(chǎn)甲燒菌捕獲C0 2，催化C02、H+及電子轉(zhuǎn)化為 甲烷，具體化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

【權(quán)利要求】
1. 一種集有機污水處理和產(chǎn)甲燒于一體的微生物電解池裝置，其特征在于：包括微生 物電解池殼體1，在微生物電解池殼體1內(nèi)設(shè)置有陽極電極8和陰極電極4,陰極電極4和 陽極電極8分別通過鈦絲與外接直流穩(wěn)壓電源6的低電位端和高電位端相連，微生物電解 池殼體的下端側(cè)面設(shè)有進(jìn)水管9,進(jìn)水管9與布水器10相連，微生物電解池殼體底端設(shè)有污 泥排放管11和閥12,微生物電解池殼體上端側(cè)面設(shè)有排水管2,微生物電解池殼體頂端設(shè) 有氣體收集管3 ; 所述微生物電解池裝置還包括設(shè)置于進(jìn)水管處用于控制污水進(jìn)水流量和/或通斷的 進(jìn)水控制閥、設(shè)置于排水管處用于控制排水流量和/或通斷的排水控制閥、設(shè)置于氣體收 集管處用于檢測氣體成分和流量的氣體監(jiān)測裝置、污水處理自動控制裝置以及用于輸入控 制指令的人機操作面板；氣體監(jiān)測裝置和人機操作面板連接到污水處理自動控制裝置的信 號輸入端，進(jìn)水控制閥、排水控制閥以及污泥排放閥連接到污水處理自動控制裝置的信號 輸出端；所述污水處理自動控制裝置為現(xiàn)有的計算機或單片機。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種集有機污水處理和產(chǎn)甲烷于一體的微生物電解池裝置， 其特征在于：直流穩(wěn)壓電源為太陽能發(fā)電和輔助電源相結(jié)合，平時以太陽能發(fā)電作為直流 穩(wěn)壓電源，當(dāng)太陽能發(fā)電所產(chǎn)生的電能不足以維持微生物電解池運行時，開啟輔助電源。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種集有機污水處理和產(chǎn)甲烷于一體的微生物電解池裝置，其 特征在于：微生物電解池殼體1采用鋼筋混凝土或碳鋼材質(zhì)制成。
4. 如權(quán)利要求1所述的一種集有機污水處理和產(chǎn)甲烷于一體的微生物電解池裝置，其 特征在于：所述的陰極電極4為碳纖維刷，陽極電極8采用碳纖維刷、網(wǎng)狀玻璃碳或顆粒石 墨，且在陰極電極4的表面附著電化學(xué)活性產(chǎn)甲烷菌，陽極電極8表面附著產(chǎn)電微生物。
5. 如權(quán)利要求1所述的一種集有機污水處理和產(chǎn)甲烷于一體的微生物電解池裝置， 其特征在于：陰極電極的電位為-0. 5V~-1. 5V，所述的直流穩(wěn)壓電源6的直流輸出電壓 為-2. 0V?2. 0V。
6. 如權(quán)利要求1所述的一種集有機污水處理和產(chǎn)甲烷于一體的微生物電解池裝置，其 特征在于：所述裝置為連續(xù)操作，污水脫氧氣后經(jīng)進(jìn)水管9、布水器10依次流經(jīng)微生物電解 池殼體1內(nèi)的陽極電極8和陰極電極4,然后經(jīng)排水管2流出，而所產(chǎn)生的C0 2和CH4氣體 經(jīng)氣體收集管3排出并收集。
7. 如權(quán)利要求4所述的一種集有機污水處理和產(chǎn)甲烷于一體的微生物電解池裝置，其 特征在于：陰極電極4表面附著的電化學(xué)活性產(chǎn)甲燒菌是
8. 如權(quán)利要求1-7中任一項所述的一種集有機污水處理和產(chǎn)甲烷于一體的微生物 電解池裝置，其特征在于：生物陰極制作方法是：將電活性產(chǎn)甲燒菌 首先在500 mL帶厚橡膠塞血清瓶中厭氧培養(yǎng)；在接種到微生物電解池前，取 250mL培養(yǎng)液離心后再將濃縮物懸浮分散到無氧氣、滅菌的培養(yǎng)基中；然后將細(xì)胞懸液接 種到厭氧的微生物電解池，并立即鼓充C0 2 ;直流穩(wěn)壓電源的電壓固定為-0. 9V ;在電輔助 下，通過微生物電解池陰極表面附著的電活性產(chǎn)甲燒菌pa/iAsire的催 化作用將C02氣體還原為CH 4 ;定期對微生物電解池的電流數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，待微生物電解池 的電流最大且穩(wěn)定后，認(rèn)為電活性產(chǎn)甲燒菌你?ieriw? ire在陰極電極表面 充分附著，生物陰極的制作完成。
9. 如權(quán)利要求1-8中任一項所述的一種集有機污水處理和產(chǎn)甲烷于一體的微生物電 解池裝置，其特征在于：生物陽極制作方法是：以污水處理廠的厭氧活性污泥為接種物，以 污水處理廠的初沉溢流液為培養(yǎng)基，純氮氣除氧氣后按容積比1:9的比例接種微生物電解 池富集陽極產(chǎn)電微生物；微生物電解池為批次操作，每次實驗結(jié)束后按上述比例加入接種 物與培養(yǎng)基的混合液；直流穩(wěn)壓電源的電壓固定為-0.9V，定期對微生物電解池的電流數(shù) 據(jù)進(jìn)行采樣，待微生物電解池的電流最大且穩(wěn)定后，認(rèn)為在陽極電極表面充分附著了產(chǎn)電 微生物，此時生物陽極極的制作完成。
10.如權(quán)利要求1所述的一種集有機污水處理和產(chǎn)甲烷于一體的微生物電解池裝置， 其特征在于： 所述微生物電解池裝置具有連續(xù)處理模式和封閉處理模式；連續(xù)處理模式是所述裝 置的默認(rèn)工作模式，在此模式下，污水處理自動控制裝置根據(jù)氣體監(jiān)測裝置獲取的氣體成 分和流量信息，判斷微生物電解池的效率，從而控制進(jìn)水控制閥、排水控制閥保持適當(dāng)?shù)牧?量，即當(dāng)檢測到的C0 2和甲烷氣體的流量之和高于第一閾值時，輸出控制信號使進(jìn)水控制 閥、排水控制閥處于高流量狀態(tài)，當(dāng)檢測到的C0 2和甲烷氣體的流量之和低于第二閾值時， 輸出控制信號使進(jìn)水控制閥、排水控制閥處于低流量狀態(tài)； 封閉處理模式的具體步驟為：a、污水處理自動控制裝置首先輸出控制信號使進(jìn)水控制 閥打開而排水控制閥關(guān)閉，當(dāng)污水流量接近電解池的體積時，污水處理自動控制裝置輸出 控制信號關(guān)閉進(jìn)水控制閥，其中輸出使進(jìn)水控制閥打開的控制信號的時刻為氣體流量計算 的起始點；b、進(jìn)入處理等待階段，當(dāng)檢測到的C0 2和甲烷氣體的流量之和低于第三閾值時， 污水處理自動控制裝置輸出控制信號同時使進(jìn)水控制閥處于高流量狀態(tài)、排水控制閥處于 低流量狀態(tài)；c、經(jīng)過預(yù)定時間間隔后再次輸出控制信號關(guān)閉進(jìn)水控制閥和排水控制閥。
【文檔編號】C02F3/34GK104230003SQ201410126682
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年3月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月31日
【發(fā)明者】蔣海明, 李俠, 司萬童 申請人:內(nèi)蒙古科技大學(xué)