集廢水生物處理與促進(jìn)甲烷回收于一體的微生物電解系統(tǒng)及方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種集廢水生物處理與促進(jìn)甲烷回收于一體的微生物電解系統(tǒng)及方法。系統(tǒng)包括外加電源，與電源相連的陰極和陽(yáng)極分別在左右兩個(gè)電極室內(nèi)，兩電極室用陽(yáng)離子交換膜相隔，底部配有磁力攪拌器進(jìn)行攪拌，陰極另設(shè)有甲烷收集口。本實(shí)驗(yàn)在陰陽(yáng)兩極均加入廢水與污泥，其中陽(yáng)極室的微生物通過(guò)分解廢水中的有機(jī)物獲取能量，同時(shí)將反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的電子與氫離子傳遞至陰極室；陰極室的微生物通過(guò)分解有機(jī)物產(chǎn)生甲烷，同時(shí)由于有電流的流動(dòng)使得廢水的降解效率與甲烷的產(chǎn)率都有了極大的提高。
【專(zhuān)利說(shuō)明】集廢水生物處理與促進(jìn)甲烷回收于一體的微生物電解系統(tǒng)及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微生物電解池與微生物產(chǎn)甲烷過(guò)程的交叉領(lǐng)域，具體涉及一種集廢水生物處理與促進(jìn)甲烷回收于一體的微生物電解系統(tǒng)及方法。

【背景技術(shù)】
[0002]從19世紀(jì)開(kāi)始，化石燃料(煤炭、石油、天然氣)一直是人類(lèi)的主要能源，促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)繁榮與社會(huì)發(fā)展。然而進(jìn)入20世紀(jì)中后期以來(lái)，過(guò)度依賴(lài)化石燃料的弊端開(kāi)始越來(lái)越明顯地表現(xiàn)出來(lái)。一方面使用化石能源產(chǎn)生了大量二氧化碳、硫化氫和氮氧化物，造成了嚴(yán)重的溫室效應(yīng)以及酸雨、光化學(xué)煙霧等環(huán)境災(zāi)難；另一方面由于化石能源儲(chǔ)量有限，目前已瀕于枯竭。根據(jù)2013年中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒，中國(guó)的能源總產(chǎn)量與總消耗量與日俱增，其中尤以化石燃料(煤、石油、天然氣)為主。其三者占到能源總量的90%以上。與此同時(shí)根據(jù)中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)部每年公布的環(huán)境統(tǒng)計(jì)年報(bào)，無(wú)論是工業(yè)廢水還是生活廢水中的化學(xué)需氧量的濃度始終保持在150mg/L以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)國(guó)家規(guī)定的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。
[0003]針對(duì)目前存在的能源與環(huán)境問(wèn)題，發(fā)明一種能同時(shí)解決這兩種問(wèn)題的技術(shù)顯得尤為重要。微生物電解池(MEC)系統(tǒng)作為一種新興的電化學(xué)系統(tǒng)在能源回收方面具有自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。然而傳統(tǒng)的MEC所使用的陰極都為價(jià)格較為昂貴的金屬電極，使得成本有了很大的提高。同時(shí)現(xiàn)在的MEC大多用來(lái)進(jìn)行氫氣的產(chǎn)生，而氫氣制造成本較高，不便于收集與運(yùn)輸，這些都制約了 MEC在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種集廢水生物處理與促進(jìn)甲烷回收于一體的微生物電解系統(tǒng)及方法。
[0005]集廢水生物處理與促進(jìn)甲烷回收于一體的微生物電解系統(tǒng)的電源連接陽(yáng)極與陰極，陽(yáng)極與陰極分別處在由殼體組成的陽(yáng)極室和陰極室之中，陽(yáng)極室和陰極室之前通過(guò)陽(yáng)離子交換膜進(jìn)行分隔，陽(yáng)極室和陰極室底部均設(shè)有磁力攪拌器進(jìn)行攪拌，陰極所產(chǎn)生的氣體通過(guò)氣體收集口進(jìn)行收集。
[0006]所述的電源電壓控制在0.8V。
[0007]所述的殼體所用的材料全部為有機(jī)玻璃。
[0008]所述的陽(yáng)極與陰極所用材料均為碳?xì)?，二者通過(guò)鈦絲與電源相連，陽(yáng)極室和陰極室均裝有廢水與污泥。
[0009]所述系統(tǒng)的集廢水生物處理與促進(jìn)甲烷回收于一體的方法包括如下步驟:
O馴化階段
陽(yáng)極室和陰極室中間所夾的陽(yáng)離子交換膜用15%H202進(jìn)行預(yù)處理，陽(yáng)極室和陰極室中的接種污泥均采用城市污水處理廠二沉池污泥進(jìn)行馴化，陰極室與陽(yáng)極室同時(shí)加入污水與污泥，陽(yáng)極室與陰極室的廢水與污泥體積比為3:1，馴化階段電源⑴提供電壓為0.8V，陽(yáng)極室和陰極室自配水配方為=Na2HPO4.12H20 IL 47g/L、NaH2P04.2H20 2.75g/L,NH4Cl 0.31g/L、KCl 0.13g/L，陽(yáng)極室通過(guò)CH3COOH控制COD濃度為2000mg/L，陰極室通過(guò)蔗糖控制COD濃度為3000mg/L ；
2)運(yùn)行階段
更換陽(yáng)離子交換膜(4)，用15%H202對(duì)陽(yáng)離子交換膜(4)進(jìn)行預(yù)處理，電源(I)提供的電壓保持不變，陽(yáng)極室(6)和陰極室(7)內(nèi)自配水配方和馴化過(guò)程相同，控制陽(yáng)極室(6)和陰極室(7)下方的磁力攪拌器(8)轉(zhuǎn)速為lOOr/min，一個(gè)批次運(yùn)行時(shí)間設(shè)置為3天，陰極室
(7)上方的氣體收集口(9)處通過(guò)橡皮管導(dǎo)出氣體。
[0010]本發(fā)明重點(diǎn)在于陰極室與陽(yáng)極室同時(shí)加入了污水與污泥，在陰極室本身可以進(jìn)行降解污水產(chǎn)生甲烷的基礎(chǔ)上，對(duì)這個(gè)過(guò)程進(jìn)行了進(jìn)一步的強(qiáng)化。
[0011]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是同步實(shí)現(xiàn)了廢水的生物處理與產(chǎn)甲烷功能的加強(qiáng)。
[0012]在陰陽(yáng)兩極同時(shí)加入廢水，通過(guò)微生物的降解作用可以進(jìn)行廢水的處理，同時(shí)由于外加電壓的存在，提高了廢水降解的效果。
[0013]在陰極的產(chǎn)甲烷過(guò)程中，由于外電路電子的供給可以極大的提高甲烷的產(chǎn)率。
[0014]通過(guò)該項(xiàng)技術(shù)可以使MEC大規(guī)模運(yùn)用到廢水處理當(dāng)中而不用擔(dān)心成本問(wèn)題，同時(shí)也可以作為城市廢水或者工業(yè)廢水的前處理步驟減輕后面處理過(guò)程的壓力。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1為系統(tǒng)示意圖。
[0016]電源1、陽(yáng)極碳?xì)?、陰極碳?xì)?、陽(yáng)離子交換膜4、殼體5、陽(yáng)極室6、陰極室7、磁力攪拌器8、氣體收集口 9。

【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
[0018]參見(jiàn)圖1，反應(yīng)器主體由有機(jī)玻璃制成的殼體5組成，分成陽(yáng)極室6與陰極室7，兩極室之間通過(guò)陽(yáng)離子交換膜4進(jìn)行相隔，由電源I所連接的陽(yáng)極碳?xì)?與陰極碳?xì)?分別處于陽(yáng)極室6與陰極室7之中，兩電極室內(nèi)裝有廢水與污泥，通過(guò)磁力攪拌器8進(jìn)行攪拌混勻，陰極所產(chǎn)生的氣體通過(guò)氣體收集口 9進(jìn)行收集。
[0019]所述的電源I電壓控制在0.8V。
[0020]所述的殼體5所用的材料全部為有機(jī)玻璃。
[0021]所述的陽(yáng)極2與陰極3所用材料均為碳?xì)?，二者通過(guò)鈦絲與電源I相連，陽(yáng)極室6和陰極室7均裝有廢水與污泥。
[0022]所述系統(tǒng)的集廢水生物處理與促進(jìn)甲烷回收于一體的方法包括如下步驟:
O馴化階段
陽(yáng)極室6和陰極室7中間所夾的陽(yáng)離子交換膜4用15%H202進(jìn)行預(yù)處理，陽(yáng)極室6和陰極室7中的接種污泥均采用城市污水處理廠二沉池污泥進(jìn)行馴化，陰極室與陽(yáng)極室同時(shí)加入污水與污泥，陽(yáng)極室與陰極室的廢水與污泥體積比為3:1，馴化階段電源I提供電壓為
0.8V,陽(yáng)極室 6 和陰極室 7 自配水配方為=Na2HPO4-12H20 11.47g/L、NaH2PO4-2H20 2.75g/L、NH4Cl 0.31g/L、KCl 0.13g/L，陽(yáng)極室 6 通過(guò) CH3COOH 控制 COD 濃度為 2000mg/L,陰極室 7通過(guò)蔗糖控制COD濃度為3000mg/L ；
2)運(yùn)行階段
更換陽(yáng)離子交換膜4，用15%H202對(duì)陽(yáng)離子交換膜4進(jìn)行預(yù)處理，電源I提供的電壓保持不變，陽(yáng)極室6和陰極室7內(nèi)自配水配方和馴化過(guò)程相同，控制陽(yáng)極室6和陰極室7下方的磁力攪拌器8轉(zhuǎn)速為lOOr/min，一個(gè)批次運(yùn)行時(shí)間設(shè)置為3天，陰極室7上方的氣體收集口 9處通過(guò)橡皮管導(dǎo)出氣體。
[0023]陽(yáng)極室與陰極室的廢水與污泥比例為3:1，每輪實(shí)驗(yàn)結(jié)束后只將剩余的廢水到處，污泥繼續(xù)保留。
[0024]陽(yáng)極室原理為微生物降解廢水中的有機(jī)物，由產(chǎn)電菌產(chǎn)生的電子通過(guò)外電路流向陰極，同時(shí)產(chǎn)生的氫離子通過(guò)陽(yáng)離子交換膜流向陰極，保持著電荷的平衡。
[0025]陰極室的原理為微生物接收到了由陽(yáng)極室傳來(lái)的電子與氫離子后活性被增強(qiáng)，在水解菌，產(chǎn)酸菌，產(chǎn)甲烷菌等厭氧菌的作用下進(jìn)行產(chǎn)甲烷，由于電子的流動(dòng)使得甲烷的產(chǎn)率相對(duì)于沒(méi)有通電的情況下來(lái)說(shuō)有了極大的提高，同時(shí)提高的還有陰陽(yáng)兩極廢水的降解率。
[0026]本發(fā)明的特點(diǎn)是在普通厭氧反應(yīng)的基礎(chǔ)上極大的提高了廢水的降解率與甲烷的產(chǎn)率，使得在廢水處理過(guò)程中使用MEC成為了可能，同時(shí)由于該發(fā)明的MEC結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以很輕易的對(duì)普通厭氧反應(yīng)器進(jìn)行改造，為大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用提供了可能。
【權(quán)利要求】
1.一種集廢水生物處理與促進(jìn)甲烷回收于一體的微生物電解系統(tǒng)，其特征在于:電源(I)連接陽(yáng)極⑵與陰極(3)，陽(yáng)極(2)與陰極(3)分別處在由殼體(5)組成的陽(yáng)極室(6)和陰極室(7)之中，陽(yáng)極室(6)和陰極室(7)之前通過(guò)陽(yáng)離子交換膜(4)進(jìn)行分隔，陽(yáng)極室(6)和陰極室(7)底部均設(shè)有磁力攪拌器(8)進(jìn)行攪拌，陰極所產(chǎn)生的氣體通過(guò)氣體收集口(9)進(jìn)行收集。
2.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)I所述的集廢水生物處理與促進(jìn)甲烷回收于一體的微生物電解系統(tǒng)，其特征在于:所述的電源(I)電壓控制在0.8V。
3.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)I所述的集廢水生物處理與促進(jìn)甲烷回收于一體的微生物電解系統(tǒng)，其特征在于:所述的殼體(5)所用的材料全部為有機(jī)玻璃。
4.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)I所述的集廢水生物處理與促進(jìn)甲烷回收于一體的微生物電解系統(tǒng)，其特征在于:所述的陽(yáng)極(2)與陰極(3)所用材料均為碳?xì)郑咄ㄟ^(guò)鈦絲與電源(I)相連，陽(yáng)極室(6)和陰極室(7)均裝有廢水與污泥。
5.一種實(shí)施如權(quán)利要求書(shū)I所述系統(tǒng)的集廢水生物處理與促進(jìn)甲烷回收于一體的方法，其特征在于包括如下步驟: 1)馴化階段 陽(yáng)極室(6)和陰極室(7)中間所夾的陽(yáng)離子交換膜(4)用15%H202進(jìn)行預(yù)處理，陽(yáng)極室(6)和陰極室(7)中的接種污泥均采用城市污水處理廠二沉池污泥進(jìn)行馴化，陰極室與陽(yáng)極室同時(shí)加入污水與污泥，陽(yáng)極室與陰極室的廢水與污泥體積比為3:1，馴化階段電源(I)提供電壓為0.8V，陽(yáng)極室(6)和陰極室(7)自配水配方為=Na2HPO4-12H20 11.47g/L、NaH2PO4-2H20 2.75g/L、NH4Cl 0.31g/L、KCl 0.13g/L,陽(yáng)極室(6)通過(guò) CH3COOH 控制 COD 濃度為2000mg/L，陰極室(7)通過(guò)蔗糖控制COD濃度為3000mg/L ； 2)運(yùn)行階段 更換陽(yáng)離子交換膜(4)，用15%H202對(duì)陽(yáng)離子交換膜(4)進(jìn)行預(yù)處理，電源(I)提供的電壓保持不變，陽(yáng)極室(6)和陰極室(7)內(nèi)自配水配方和馴化過(guò)程相同，控制陽(yáng)極室(6)和陰極室(7)下方的磁力攪拌器(8)轉(zhuǎn)速為lOOr/min，一個(gè)批次運(yùn)行時(shí)間設(shè)置為3天，陰極室(7)上方的氣體收集口(9)處通過(guò)橡皮管導(dǎo)出氣體。
【文檔編號(hào)】C02F3/28GK104176823SQ201410324228
【公開(kāi)日】2014年12月3日 申請(qǐng)日期:2014年7月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月9日
【發(fā)明者】吳東雷, 丁阿強(qiáng), 孫國(guó)棟 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)