集廢水生物處理與促進甲烷回收于一體的微生物電解系統及方法
【專利摘要】本發明公開一種集廢水生物處理與促進甲烷回收于一體的微生物電解系統及方法。系統包括外加電源，與電源相連的陰極和陽極分別在左右兩個電極室內，兩電極室用陽離子交換膜相隔，底部配有磁力攪拌器進行攪拌，陰極另設有甲烷收集口。本實驗在陰陽兩極均加入廢水與污泥，其中陽極室的微生物通過分解廢水中的有機物獲取能量，同時將反應過程中產生的電子與氫離子傳遞至陰極室；陰極室的微生物通過分解有機物產生甲烷，同時由于有電流的流動使得廢水的降解效率與甲烷的產率都有了極大的提高。
【專利說明】集廢水生物處理與促進甲烷回收于一體的微生物電解系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于微生物電解池與微生物產甲烷過程的交叉領域，具體涉及一種集廢水生物處理與促進甲烷回收于一體的微生物電解系統及方法。
【背景技術】
[0002]從19世紀開始，化石燃料(煤炭、石油、天然氣)一直是人類的主要能源，促進了經濟繁榮與社會發展。然而進入20世紀中后期以來，過度依賴化石燃料的弊端開始越來越明顯地表現出來。一方面使用化石能源產生了大量二氧化碳、硫化氫和氮氧化物，造成了嚴重的溫室效應以及酸雨、光化學煙霧等環境災難；另一方面由于化石能源儲量有限，目前已瀕于枯竭。根據2013年中國統計年鑒，中國的能源總產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。與此同時根據中華人民共和國環境保護部每年公布的環境統計年報，無論是工業廢水還是生活廢水中的化學需氧量的濃度始終保持在150mg/L以上，遠遠超過國家規定的水質標準。
[0003]針對目前存在的能源與環境問題，發明一種能同時解決這兩種問題的技術顯得尤為重要。微生物電解池(MEC)系統作為一種新興的電化學系統在能源回收方面具有自己獨特的優勢。然而傳統的MEC所使用的陰極都為價格較為昂貴的金屬電極，使得成本有了很大的提高。同時現在的MEC大多用來進行氫氣的產生，而氫氣制造成本較高，不便于收集與運輸，這些都制約了 MEC在現實中的應用。
【發明內容】
[0004]為了克服上述現有技術的不足，本發明提供了一種集廢水生物處理與促進甲烷回收于一體的微生物電解系統及方法。
[0005]集廢水生物處理與促進甲烷回收于一體的微生物電解系統的電源連接陽極與陰極，陽極與陰極分別處在由殼體組成的陽極室和陰極室之中，陽極室和陰極室之前通過陽離子交換膜進行分隔，陽極室和陰極室底部均設有磁力攪拌器進行攪拌，陰極所產生的氣體通過氣體收集口進行收集。
[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玻璃。
[0008]所述的陽極與陰極所用材料均為碳氈，二者通過鈦絲與電源相連，陽極室和陰極室均裝有廢水與污泥。
[0009]所述系統的集廢水生物處理與促進甲烷回收于一體的方法包括如下步驟:
O馴化階段
陽極室和陰極室中間所夾的陽離子交換膜用15%H202進行預處理，陽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行馴化，陰極室與陽極室同時加入污水與污泥，陽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，陽極室通過CH3COOH控制COD濃度為2000mg/L，陰極室通過蔗糖控制COD濃度為3000mg/L ；
2)運行階段
更換陽離子交換膜(4)，用15%H202對陽離子交換膜(4)進行預處理，電源(I)提供的電壓保持不變，陽極室(6)和陰極室(7)內自配水配方和馴化過程相同，控制陽極室(6)和陰極室(7)下方的磁力攪拌器(8)轉速為lOOr/min，一個批次運行時間設置為3天，陰極室
(7)上方的氣體收集口(9)處通過橡皮管導出氣體。
[0010]本發明重點在于陰極室與陽極室同時加入了污水與污泥，在陰極室本身可以進行降解污水產生甲烷的基礎上，對這個過程進行了進一步的強化。
[0011]與現有技術相比，本發明的有益效果是同步實現了廢水的生物處理與產甲烷功能的加強。
[0012]在陰陽兩極同時加入廢水，通過微生物的降解作用可以進行廢水的處理，同時由于外加電壓的存在，提高了廢水降解的效果。
[0013]在陰極的產甲烷過程中，由于外電路電子的供給可以極大的提高甲烷的產率。
[0014]通過該項技術可以使MEC大規模運用到廢水處理當中而不用擔心成本問題，同時也可以作為城市廢水或者工業廢水的前處理步驟減輕后面處理過程的壓力。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1為系統示意圖。
[0016]電源1、陽極碳氈2、陰極碳氈3、陽離子交換膜4、殼體5、陽極室6、陰極室7、磁力攪拌器8、氣體收集口 9。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖對本發明進一步說明。
[0018]參見圖1，反應器主體由有機玻璃制成的殼體5組成，分成陽極室6與陰極室7，兩極室之間通過陽離子交換膜4進行相隔，由電源I所連接的陽極碳氈2與陰極碳氈3分別處于陽極室6與陰極室7之中，兩電極室內裝有廢水與污泥，通過磁力攪拌器8進行攪拌混勻，陰極所產生的氣體通過氣體收集口 9進行收集。
[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玻璃。
[0021]所述的陽極2與陰極3所用材料均為碳氈，二者通過鈦絲與電源I相連，陽極室6和陰極室7均裝有廢水與污泥。
[0022]所述系統的集廢水生物處理與促進甲烷回收于一體的方法包括如下步驟:
O馴化階段
陽極室6和陰極室7中間所夾的陽離子交換膜4用15%H202進行預處理，陽極室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行馴化，陰極室與陽極室同時加入污水與污泥，陽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，陽極室 6 通過 CH3COOH 控制 COD 濃度為 2000mg/L,陰極室 7通過蔗糖控制COD濃度為3000mg/L ；
2)運行階段
更換陽離子交換膜4，用15%H202對陽離子交換膜4進行預處理，電源I提供的電壓保持不變，陽極室6和陰極室7內自配水配方和馴化過程相同，控制陽極室6和陰極室7下方的磁力攪拌器8轉速為lOOr/min，一個批次運行時間設置為3天，陰極室7上方的氣體收集口 9處通過橡皮管導出氣體。
[0023]陽極室與陰極室的廢水與污泥比例為3:1，每輪實驗結束后只將剩余的廢水到處，污泥繼續保留。
[0024]陽極室原理為微生物降解廢水中的有機物，由產電菌產生的電子通過外電路流向陰極，同時產生的氫離子通過陽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極室傳來的電子與氫離子后活性被增強，在水解菌，產酸菌，產甲烷菌等厭氧菌的作用下進行產甲烷，由于電子的流動使得甲烷的產率相對于沒有通電的情況下來說有了極大的提高，同時提高的還有陰陽兩極廢水的降解率。
[0026]本發明的特點是在普通厭氧反應的基礎上極大的提高了廢水的降解率與甲烷的產率，使得在廢水處理過程中使用MEC成為了可能，同時由于該發明的MEC結構簡單，可以很輕易的對普通厭氧反應器進行改造，為大規模的工業應用提供了可能。
【權利要求】
1.一種集廢水生物處理與促進甲烷回收于一體的微生物電解系統，其特征在于:電源(I)連接陽極⑵與陰極(3)，陽極(2)與陰極(3)分別處在由殼體(5)組成的陽極室(6)和陰極室(7)之中，陽極室(6)和陰極室(7)之前通過陽離子交換膜(4)進行分隔，陽極室(6)和陰極室(7)底部均設有磁力攪拌器(8)進行攪拌，陰極所產生的氣體通過氣體收集口(9)進行收集。
2.根據權利要求書I所述的集廢水生物處理與促進甲烷回收于一體的微生物電解系統，其特征在于:所述的電源(I)電壓控制在0.8V。
3.根據權利要求書I所述的集廢水生物處理與促進甲烷回收于一體的微生物電解系統，其特征在于:所述的殼體(5)所用的材料全部為有機玻璃。
4.根據權利要求書I所述的集廢水生物處理與促進甲烷回收于一體的微生物電解系統，其特征在于:所述的陽極(2)與陰極(3)所用材料均為碳氈，二者通過鈦絲與電源(I)相連，陽極室(6)和陰極室(7)均裝有廢水與污泥。
5.一種實施如權利要求書I所述系統的集廢水生物處理與促進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 陽極室(6)和陰極室(7)中間所夾的陽離子交換膜(4)用15%H202進行預處理，陽極室(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行馴化，陰極室與陽極室同時加入污水與污泥，陽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,陽極室(6)通過 CH3COOH 控制 COD 濃度為2000mg/L，陰極室(7)通過蔗糖控制COD濃度為3000mg/L ； 2)運行階段 更換陽離子交換膜(4)，用15%H202對陽離子交換膜(4)進行預處理，電源(I)提供的電壓保持不變，陽極室(6)和陰極室(7)內自配水配方和馴化過程相同，控制陽極室(6)和陰極室(7)下方的磁力攪拌器(8)轉速為lOOr/min，一個批次運行時間設置為3天，陰極室(7)上方的氣體收集口(9)處通過橡皮管導出氣體。
【文檔編號】C02F3/28GK104176823SQ201410324228
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年7月9日 優先權日:2014年7月9日
【發明者】吳東雷, 丁阿強, 孫國棟 申請人:浙江大學