本發(fā)明屬于污水處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于短程硝化生物脫氮的套筒型微生物燃料電池及其工藝方法。
背景技術(shù)：
微生物燃料電池MFC(Microbial Fuel Cell)是一種利用微生物將有機(jī)物中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的裝置，該技術(shù)顛覆了傳統(tǒng)污水處理技術(shù)僅僅將污水視為廢物來處理并耗費大量能源的窘迫局面。城市生活污水和工業(yè)有機(jī)廢水中含有大量的生物質(zhì)能，逐步被作為一種資源來看待。MFC除了從廢水中激發(fā)能量，重要的優(yōu)勢在于使用較低的能耗和產(chǎn)生污泥量較少，同時還可以去除污水中的污染物質(zhì)。
一般來說污水中的主要污染物包括COD、氮和磷。COD主要以含碳有機(jī)物的形式存在，而污水中的氮污染物主要以氨氮(NH4+-N)和硝酸氮(NO3--N)形式存在。傳統(tǒng)的生物脫氮包括硝化和反硝化兩段過程來實現(xiàn)，存在工藝流程較長、需要混合液回流、運(yùn)行能耗較大、產(chǎn)生的污泥量較大、占地面積大、基建投資高，若反硝化階段碳源不足，還需要投加額外的碳源有機(jī)物等缺點；這些問題都限制著水處理技術(shù)的發(fā)展。
現(xiàn)有技術(shù)中的微生物燃料電池，對污水脫氮的效果也很有限，導(dǎo)致出水水質(zhì)不佳、陰陽極pH酸化或堿化等問題。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種用于同步短程硝化生物脫氮的套筒型微生物燃料電池，該套筒型微生物燃料電池將膜曝氣生物膜技術(shù)運(yùn)用到微生物燃料電池中，以提高硝化階段氧利用效率，并結(jié)合生物陰極工藝進(jìn)行生物反硝化脫氮， 從廢水中提取生物質(zhì)能的同時，達(dá)到更好的去除污染物的效果。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種用于同步短程硝化生物脫氮的套筒型微生物燃料電池的工藝方法。
本發(fā)明的目的由如下技術(shù)方案實現(xiàn)。
一種用于同步短程硝化生物脫氮的套筒型微生物燃料電池，包括由進(jìn)水池、進(jìn)水泵組成的進(jìn)水系統(tǒng)；由空壓機(jī)、進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥、出氣調(diào)節(jié)閥組成的進(jìn)氧系統(tǒng)，其特征在于：
該套筒型微生物燃料電池還包括反應(yīng)器內(nèi)筒，套在反應(yīng)器內(nèi)筒外的反應(yīng)器外筒，反應(yīng)器內(nèi)筒和反應(yīng)器外筒構(gòu)成一體式反應(yīng)器件。所述反應(yīng)器外筒底部聯(lián)通；
所述反應(yīng)器內(nèi)筒中設(shè)置膜曝氣生物膜反應(yīng)器，該膜曝氣生物膜反應(yīng)器的中間設(shè)有膜腔，該模腔內(nèi)填充中空纖維膜；所述進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥的出氣口與膜腔底部連接；膜腔頂部與出氣調(diào)節(jié)閥連接；
所述反應(yīng)器內(nèi)筒的底部與進(jìn)水泵的出水口連接，所述反應(yīng)器內(nèi)筒的側(cè)壁上端部設(shè)有出水口，該出水口的高度低于反應(yīng)器內(nèi)筒和反應(yīng)器外筒的筒壁的高度；所述反應(yīng)器內(nèi)筒的外壁上包裹有陽極碳纖維布，該碳纖維布上接種厭氧菌作為生物陽極；所述膜曝氣生物膜反應(yīng)器的內(nèi)壁為PVC材質(zhì)；
所述反應(yīng)器外筒的內(nèi)壁上設(shè)有陰極碳纖維布，該碳纖維布上接種缺氧反硝化菌作為生物陰極；所述反應(yīng)器內(nèi)、外筒之間設(shè)置有循序下降的階梯狀折板，該折板長度與反應(yīng)器內(nèi)、外筒的軸向距離相同，該折板的高度為0.5-1.5cm，該折板的寬度為0.5-1.5cm。優(yōu)選的，折板的高度和寬度均為1cm；可很好地保持反應(yīng)器外筒內(nèi)的較好的水力混合條件。
所述反應(yīng)器外筒的筒壁和反應(yīng)器內(nèi)筒外側(cè)壁電極之間連接有電阻形成電路回路；所述反應(yīng)器外筒的底部設(shè)有出水管，該出水管與出水調(diào)節(jié)閥連接。
其中，所述陽極碳纖維布的厚度為1mm，所述陰極碳纖維布的厚度為1mm，合適的陽極碳纖維布和陰極碳纖維布的厚度，有利于降低微生物燃料電池陰極陽極間的傳質(zhì)內(nèi)阻,保證良好的產(chǎn)電性能。
其中，所述厭氧菌為Geobacter sulfurreducens，其接種量為3×107cfu/g； 所述陰極碳纖維布(3)上接種缺氧反硝化菌為Pseudomonas aeruginosa，其接種量為2×107cfu/g。厭氧菌、缺氧反硝化菌類型及接種量影響到產(chǎn)電菌在陽極和陰極上的負(fù)載,和對連續(xù)流污泥或生活污水進(jìn)水中有機(jī)物的利用效率,最終關(guān)系到產(chǎn)電菌對有機(jī)物的利用效率,影響其脫氮效率。
上述用于同步短程硝化生物脫氮的套筒型微生物燃料電池的工藝方法，其步驟包括：
廢水通過進(jìn)水泵從進(jìn)水池中抽出，由反應(yīng)器內(nèi)筒底部進(jìn)入到膜曝氣生物膜反應(yīng)器中；反應(yīng)器內(nèi)筒中的廢水的碳氮比小于5、懸浮固體小于20mg/L；
空壓機(jī)的氧氣經(jīng)過進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥從膜腔底部進(jìn)入中空纖維膜中并擴(kuò)散至整個反應(yīng)器內(nèi)筒中，氧氣的進(jìn)氣量為10L/m2·h，多余的氧氣從膜腔頂部中排出。本發(fā)明采用無泡膜曝氣方式進(jìn)行供氧，氧氣直接透過曝氣膜供給微生物，氧傳質(zhì)效率高，由于曝氣過程中沒有氣泡形成，所以，運(yùn)行過程中廢水中的易揮發(fā)性物質(zhì)不會被吹脫進(jìn)入空氣，不會造成空氣污染，而且操作過程中能量消耗低，可以減少運(yùn)行成本。
膜曝氣生物膜反應(yīng)器中的廢水的pH值為6.5-9，廢水中的溶解氧7-8mg/L，廢水經(jīng)過連續(xù)流硝化反應(yīng)后，從反應(yīng)器內(nèi)筒的側(cè)壁上端部的出水口中流入反應(yīng)器外筒中，所述反應(yīng)器內(nèi)筒的外壁上包裹有陽極碳纖維布，該碳纖維布上接種厭氧菌作為生物陽極；所述反應(yīng)器外筒的內(nèi)壁上設(shè)有陰極碳纖維布，該碳纖維布上接種缺氧反硝化菌作為生物陰極；所述反應(yīng)器外筒的筒壁和反應(yīng)器內(nèi)筒外側(cè)電極之間連接有電阻形成電路回路，電阻的阻值為80-120Ω，反應(yīng)器外筒中的廢水中的亞硝酸鹽作為電子受體在陰極微生物的催化作用下發(fā)生反硝化反應(yīng)，加大微生物對有機(jī)物的需求進(jìn)而強(qiáng)化生物反硝化過程和有機(jī)污染物去除能力；
經(jīng)過脫氮處理的水由階梯狀折板引流至外筒底部出水管，并從出水管中排出。
優(yōu)選的，所述反應(yīng)器內(nèi)筒中的廢水的pH值為7.4-8.3。
優(yōu)選的，所述反應(yīng)器內(nèi)筒的硝化反應(yīng)溫度為22-27℃，反應(yīng)器外筒中的反硝化反應(yīng)溫度為22-27℃。
優(yōu)選的，所述陽極碳纖維布上接種的厭氧菌為Geobacter sulfurreducens，其接種量為3×107cfu/g；所述陰極碳纖維布上接種缺氧反硝化菌為Pseudomonas aeruginosa，其接種量為2×107cfu/g。
上述硝化和反硝化溶過程中的廢水pH、溶解氧濃度、進(jìn)水碳氮比、反應(yīng)溫度等工藝條件的優(yōu)選，使得整個反應(yīng)裝置發(fā)生短程硝化反硝化反應(yīng)，節(jié)約曝氣量，減少污泥的生成量，大大縮短了反應(yīng)時間。
本發(fā)明的有益效果在于：
1、本發(fā)明采用單室結(jié)構(gòu)，可大大提高電池的電能輸出，且去除質(zhì)子交換膜，減少電池構(gòu)建成本；
2、本發(fā)明采用膜曝氣生物膜反應(yīng)器進(jìn)行無泡曝氣，可大大提高充氧利用率，操作過程中能量消耗低，可以減少運(yùn)行成本；
3、本發(fā)明采用短程硝化反硝化工藝，節(jié)約曝氣量，減少污泥的生成量，縮短反應(yīng)時間，而且本發(fā)明采用生物陰極，生物陰極接種缺氧反硝化菌對硝化產(chǎn)生的亞硝化鹽進(jìn)行反硝化，實現(xiàn)同步硝化反硝化脫氮。
4、本發(fā)明工藝的對TN的去除率達(dá)80％以上，對COD的去除率可達(dá)90％以上，廢水處理效果非常顯著。
5、所述用于同步短程硝化生物脫氮的套筒型微生物燃料電池在外加電阻1000Ω時獲得輸出電壓達(dá)到0.3-0.6V，功率密度可達(dá)6.5-12.3mWm-2，庫倫效率介于80％-94％，能很好地利用微生物將廢水有機(jī)物中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能。
附圖說明
圖1為本發(fā)明用于同步短程硝化生物脫氮的套筒型微生物燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
1是進(jìn)水池，2是進(jìn)水泵，3是陰極碳纖維布，4是陽極碳纖維布，5是膜曝氣生物膜反應(yīng)器，6是折板，7是出水口，8是進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥，9是空壓機(jī)，10是出水管，11是出氣調(diào)節(jié)閥，12是出水調(diào)節(jié)閥，13是膜腔，14是電阻。
具體實施方式
下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明。
如圖1所示，一種用于同步短程硝化生物脫氮的套筒型微生物燃料電池，包括由進(jìn)水池1、進(jìn)水泵2組成的進(jìn)水系統(tǒng)；由空壓機(jī)9、進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥8、出氣調(diào)節(jié)閥11組成的進(jìn)氧系統(tǒng)，其特征在于：
該套筒型微生物燃料電池還包括反應(yīng)器內(nèi)筒，套在反應(yīng)器內(nèi)筒外的反應(yīng)器外筒，反應(yīng)器內(nèi)筒和反應(yīng)器外筒構(gòu)成一體式反應(yīng)器件，而且反應(yīng)器外筒底部聯(lián)通；
所述反應(yīng)器內(nèi)筒中設(shè)置膜曝氣生物膜反應(yīng)器5，該膜曝氣生物膜反應(yīng)器5的中間設(shè)有膜腔13，該模腔內(nèi)填充中空纖維膜；所述進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥8的出氣口與膜腔13底部連接；膜腔13頂部與出氣調(diào)節(jié)閥11連接；
所述反應(yīng)器內(nèi)筒的底部與進(jìn)水泵2的出水口連接，所述反應(yīng)器內(nèi)筒的側(cè)壁上端部設(shè)有出水口7，該出水口7的高度低于反應(yīng)器內(nèi)外筒的筒壁的高度；所述反應(yīng)器內(nèi)筒的外壁上包裹有陽極碳纖維布4，所述陽極碳纖維布4的厚度為1mm,該碳纖維布上接種厭氧菌為Geobacter sulfurreducens，其接種量為3×107cfu/g，作為生物陽極；
所述反應(yīng)器外筒的內(nèi)壁上設(shè)有陰極碳纖維布3，該陰極碳纖維布3的厚度為1cm，該碳纖維布上接種缺氧反硝化菌為Pseudomonas aeruginosa，其接種量為2×107cfu/g，作為生物陰極；所述反應(yīng)器內(nèi)、外筒之間設(shè)置有循序下降的階梯狀折板6，該折板6長度與反應(yīng)器內(nèi)、外筒的軸向距離相同，折板6的高度和寬度均為1cm；
所述反應(yīng)器外筒的筒壁和反應(yīng)器內(nèi)筒外側(cè)壁電極之間連接有電阻14形成電路回路；所述反應(yīng)器外筒的底部設(shè)有出水管10，該出水管10與出水調(diào)節(jié)閥12連接。
上述用于同步短程硝化生物脫氮的套筒型微生物燃料電池的工藝方法，其步驟包括：
廢水通過進(jìn)水泵2從進(jìn)水池1中抽出，由反應(yīng)器內(nèi)筒底部進(jìn)入到膜曝氣生物膜反應(yīng)器中；內(nèi)筒5中的廢水的碳氮比小于5、懸浮固體小于20mg/L；
空壓機(jī)的氧氣經(jīng)過進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥8從膜腔13底部進(jìn)入中空纖維膜中并擴(kuò)散至整個反應(yīng)器內(nèi)筒中，氧氣的進(jìn)氣量為10L/m2·h，多余的氧氣從膜腔13頂部中排出；
膜曝氣生物膜反應(yīng)器中的廢水的pH值為7.4-8.3，廢水中的溶解氧7-8mg/L，廢水經(jīng)過連續(xù)流硝化反應(yīng)后，從反應(yīng)器內(nèi)筒的側(cè)壁上端部的出水口7中流入反應(yīng)器外筒中，所述反應(yīng)器外筒的筒壁和反應(yīng)器內(nèi)筒外側(cè)之間連接有阻值為1000Ω的外阻14形成電路回路，反應(yīng)器外筒中的廢水中的亞硝酸鹽作為電子受體在陰極微生物的催化作用下發(fā)生反硝化反應(yīng)生；
經(jīng)過脫氮處理的水從反應(yīng)器外筒的底部的出水管10中排出。
所述反應(yīng)器內(nèi)筒的硝化反應(yīng)溫度為22-27℃，反應(yīng)器外筒中的反硝化反應(yīng)溫度為22-27℃。
實驗運(yùn)行結(jié)果：本發(fā)明的生物燃料電池在外加電阻1000Ω時獲得輸出電壓達(dá)到0.3-0.6V，功率密度可達(dá)6.5-12.3mWm-2，庫倫效率介于80％-94％。所述生物燃料電池有利于反硝化反應(yīng)的進(jìn)行，反硝化速率平均達(dá)到52.4mgL-1d-1，對TN的去除率達(dá)80％以上，對COD的去除率可達(dá)90％以上。
以上所述為本發(fā)明的較佳實施例而已，但本發(fā)明不應(yīng)該局限于該實施例所公開的內(nèi)容。所以凡是不脫離本發(fā)明所公開的原理下完成的等效或修改，都落入本發(fā)明保護(hù)的范圍。