一種集有機污水處理和產甲烷于一體的微生物電解池裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種集有機污水處理和產甲烷于一體的微生物電解池裝置，通過污水進水管9將除氧氣的有機物污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，陽極產電微生物對污水中的有機物進行分解代謝，在污水處理的同時產生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甲烷菌將陽極產電微生物代謝有機物產生的CO2、H+及電子轉化為甲烷。本發明裝置集污水處理、CO2捕獲及產甲烷于一體，具有結構簡單、建造成本低，且易規模放大等特點。此外，污水依次流經陽極區和陰極區，避免了在陰極添加電化學活性產甲烷菌培養基，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用前景。
【專利說明】-種集有機污水處理和產甲烷于一體的微生物電解池裝置
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種在處理有機污水的同時產甲烷的裝置，屬生物電化學、環境和生 物能源的交叉領域，具體涉及一種集有機污水處理和產甲烷于一體的微生物電解池裝置。
【背景技術】
[0002] 能源、環境與水資源是人類賴以生存的基礎。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，并導致氣候變暖。與此同時，化石燃料的開采與使用導致各種生 態破壞及環境污染。隨著全球氣候變化與低碳經濟發展的趨勢不可避免，開發清潔能源、減 少碳排放正成為國際社會各國的新目標，而節能減排也已成為世界經濟發展與環境保護的 主題之一。與此同時，人們在日常生活、生產過程中產生了大量的有機污水。目前，廣泛采 用的污水處理技術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是緩解目 前全球能源與全球變暖危機及減少環境污染的重要途徑。
[0003] 微生物電解池 （Microbial Electrolysis Cell,MEC)是近年迅速發展起來的一種 融合了污水處理和產生能源的新技術，可以在對污水進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，引起了國內外的廣泛關注。MEC技術不僅克服了傳統廢水生 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、環境和水資源等 問題日趨嚴重的今天，MEC可以實現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，達到經濟和環境的雙贏，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轉化、污水處理預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，陽極室產生的C02通 過導氣管道進入陰極室，在陰極室實現C0 2捕獲以及向CH4轉化，從而實現C02減排和有效 利用的理念。但是該裝置結構復雜、建造成本高，且不易規模放大。
[0004] 因此，有必要研究和開發結構簡單、建造成本低，且易規模放大的集co2轉化、污水 處理于一體的微生物電解池裝置。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的在于提供一種能夠在實現污水處理、捕捉C02的同時，實現C0 2向CH4 轉化的集污水處理、C02轉化甲烷于一體的結構簡單、建造成本低，且易規模放大的微生物 電解池裝置。
[0006] 為解決上述問題，本發明采用如下技術方案： 本發明提供了一種集有機污水處理和產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設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面設有進水管，進水管與布水器相連，微生物電解池殼體底端設有污 泥排放管和閥，微生物電解池殼體上端側面設有排水管，微生物電解池殼體頂端設有氣體 收集管。
[0007] 本發明的所述微生物電解池裝置還包括設置于進水管處用于控制污水進水流量 和/或通斷的進水控制閥、設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 置于氣體收集管處用于檢測氣體成分和流量的氣體監測裝置、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有的計算機或單片機。
[0008] 所述微生物電解池裝置具有連續處理模式和封閉處理模式； 連續處理模式是所述裝置的默認工作模式，在此模式下，污水處理自動控制裝置根據 氣體監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，從而控制進水控制閥、 排水控制閥保持適當的流量，即當檢測到的C0 2和甲烷氣體的流量之和高于第一閾值時，輸 出控制信號使進水控制閥、排水控制閥處于高流量狀態，當檢測到的C0 2和甲烷氣體的流量 之和低于第二閾值時，輸出控制信號使進水控制閥、排水控制閥處于低流量狀態。此外，污 水處理自動控制裝置按照第一預定時間間隔輸出控制信號打開污泥排放閥。該連續處理模 式的優點在于能夠以可接受的污水處理效果實現高效的污水處理。
[0009] 封閉處理模式旨在于達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水控制閥打開而排水控制閥關閉，當污水流量接近 電解池的體積時，污水處理自動控制裝置輸出控制信號關閉進水控制閥，其中輸出使進水 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、之后進入處理等待階段，當檢 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 同時使進水控制閥處于高流量狀態、排水控制閥處于低流量狀態；C、經過第二預定時間間 隔后再次輸出控制信號關閉進水控制閥和排水控制閥。
[0010] 首次執行封閉處理模式從步驟1進入，之后循環步驟2和3實現最優化的污水處 理效果。優選所述第三閾值低于第一閾值和第二閾值。
[0011] 所述第一預定時間間隔為1分鐘至1小時，優選1分鐘、2分鐘、5分鐘、10分鐘、15 分鐘、30分鐘。
[0012] 所述第二預定時間間隔視電解池的容量以及進水、排水的速率而定，可以為10秒 至1小時，優選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制 成。
[0014] 本發明所述的陰極電極為碳纖維刷，陽極電極采用碳纖維刷、網狀玻璃碳或顆粒 石墨，且在陰極電極的表面附著電化學活性產甲燒菌ifeieriw? ire，陽極電 極表面附著電化學活性微生物。
[0015] 本發明所述的陰極電極的電位為-0. 5疒-1. 5V，所述的直流穩壓電源的直流輸出 電壓為-2. OV?2. OV。
[0016] 本發明所述裝置為連續操作，污水脫氧氣后經進水管、布水器依次流經微生物電 解池殼體內的陽極電極和陰極電極，然后經排水管流出，而所產生的C0 2和CH4等氣體經氣 體收集管排出并收集。
[0017] 污水處理：通過污水進水管將除氧氣的有機物污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，陽極產電微生物對污水中的有機物進行分解代謝，實現污水處 理。
[0018] C02捕獲與轉化：陽極產電微生物對污水中的有機物進行分解代謝時產生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甲烷菌捕獲co 2，催化co2、h+ 及電子轉化為甲烷。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019] 圖1為本發明的整體結構示意圖。
【具體實施方式】
[0020] 下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。
[0021] 參見圖1，本發明裝置包括采用有機玻璃、PVC、玻璃或混凝土等材質制成的微生物 電解池殼體1，在微生物電解池殼體1內設置有陽極電極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與外接直流穩壓電源6的低電位端和高電位端相連，直 流穩壓電源6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，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。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等電化學活性產甲燒菌，陽極電極8表面附著產電微 生物，微生物電解池殼1的下端側面設有進水管9,進水管9與布水器10相連，微生物電解 池殼體1底端設有污泥排放管11和閥12,微生物電解池殼體1上端側面設有排水管2,微 生物電解池殼體1頂端設有氣體收集管3。
[0022] 陽極電極8表面附著的產電微生物代謝污水中的有機物產生C02、H+及電子；產 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 等電活性產甲烷菌捕獲C02，催化C02、H+及電子轉化為甲烷。本發明具有污水處 理和C02資源化利用相結合的特點。
[0023] 本發明提出的集污水處理、C02捕捉及產甲烷于一體的生物電化學系統的啟動過 程如下： (1)生物陰極制作：將電活性產甲燒菌ifeiAafloAacieriw? 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-C02 (80:20, v/v)]。在接種到微生物電解池前，取250 mL上述培養液離心后再將濃縮物懸浮 分散到無氧氣、滅菌的ATCC? Medium 2487培養基中，然后將上述細胞懸液接種到厭氧的微 生物電解池，并立即鼓充C02，直流穩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據進行采樣，待微生物電解池的電流最大且穩 定后，認為電活性產甲燒菌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電微生物。 微生物電解池為批次操作，每次實驗結束后按上述比例加入接種物與培養基的混合液。直 流穩壓電源的電壓固定為-0. 9V，定期對微生物電解池的電流數據進行采樣，待微生物電解 池的電流最大且穩定后，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 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進水管、布 水器依次流經微生物電解池內的陽極電極和陰極電極，然后經微生物電解池排水管流出， 同時直流穩壓電源的電壓固定為-〇. 9V。陽極電極表面附著的產電微生物代謝污水中的有 機物產生C02、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表面 附著的ifeieriw?押/狀ire等電活性產甲燒菌捕獲C0 2，催化C02、H+及電子轉化為 甲烷，具體化學反應方程式如下：
【權利要求】
1. 一種集有機污水處理和產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內設置有陽極電極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 池殼體的下端側面設有進水管9,進水管9與布水器10相連，微生物電解池殼體底端設有污 泥排放管11和閥12,微生物電解池殼體上端側面設有排水管2,微生物電解池殼體頂端設 有氣體收集管3 ; 所述微生物電解池裝置還包括設置于進水管處用于控制污水進水流量和/或通斷的 進水控制閥、設置于排水管處用于控制排水流量和/或通斷的排水控制閥、設置于氣體收 集管處用于檢測氣體成分和流量的氣體監測裝置、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有的計算機或單片機。
2. 如權利要求1所述的一種集有機污水處理和產甲烷于一體的微生物電解池裝置， 其特征在于：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，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。
3. 如權利要求1所述的一種集有機污水處理和產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制成。
4. 如權利要求1所述的一種集有機污水處理和產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、網狀玻璃碳或顆粒石 墨，且在陰極電極4的表面附著電化學活性產甲烷菌，陽極電極8表面附著產電微生物。
5. 如權利要求1所述的一種集有機污水處理和產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，所述的直流穩壓電源6的直流輸出電壓 為-2. 0V?2. 0V。
6. 如權利要求1所述的一種集有機污水處理和產甲烷于一體的微生物電解池裝置，其 特征在于：所述裝置為連續操作，污水脫氧氣后經進水管9、布水器10依次流經微生物電解 池殼體1內的陽極電極8和陰極電極4,然后經排水管2流出，而所產生的C0 2和CH4氣體 經氣體收集管3排出并收集。
7. 如權利要求4所述的一種集有機污水處理和產甲烷于一體的微生物電解池裝置，其 特征在于：陰極電極4表面附著的電化學活性產甲燒菌是
8. 如權利要求1-7中任一項所述的一種集有機污水處理和產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：將電活性產甲燒菌 首先在500 mL帶厚橡膠塞血清瓶中厭氧培養；在接種到微生物電解池前，取 250mL培養液離心后再將濃縮物懸浮分散到無氧氣、滅菌的培養基中；然后將細胞懸液接 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據進行采樣，待微生物電解池 的電流最大且穩定后，認為電活性產甲燒菌你?ieriw? ire在陰極電極表面 充分附著，生物陰極的制作完成。
9. 如權利要求1-8中任一項所述的一種集有機污水處理和產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 池富集陽極產電微生物；微生物電解池為批次操作，每次實驗結束后按上述比例加入接種 物與培養基的混合液；直流穩壓電源的電壓固定為-0.9V，定期對微生物電解池的電流數 據進行采樣，待微生物電解池的電流最大且穩定后，認為在陽極電極表面充分附著了產電 微生物，此時生物陽極極的制作完成。
10.如權利要求1所述的一種集有機污水處理和產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處理模式和封閉處理模式；連續處理模式是所述裝 置的默認工作模式，在此模式下，污水處理自動控制裝置根據氣體監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，從而控制進水控制閥、排水控制閥保持適當的流 量，即當檢測到的C0 2和甲烷氣體的流量之和高于第一閾值時，輸出控制信號使進水控制 閥、排水控制閥處于高流量狀態，當檢測到的C0 2和甲烷氣體的流量之和低于第二閾值時， 輸出控制信號使進水控制閥、排水控制閥處于低流量狀態； 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水控制 閥打開而排水控制閥關閉，當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 控制信號關閉進水控制閥，其中輸出使進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、進入處理等待階段，當檢測到的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水控制閥處于高流量狀態、排水控制閥處于 低流量狀態；c、經過預定時間間隔后再次輸出控制信號關閉進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 優先權日:2014年3月31日
【發明者】蔣海明, 李俠, 司萬童 申請人:內蒙古科技大學