申请日2015.12.18
公开(公告)日2016.05.18
IPC分类号H01M8/16; C02F3/32; C02F3/34
摘要
本实用新型涉及一种用于污水处理的生物电化学装置，包括模块反应腔体、设置在模块反应腔体顶部的空气阴极、设置在模块反应腔体底部作为阳极的碳毡以及设置在空气阴极与碳毡之间的碳刷，所述的模块反应腔体顶部两端分别设有进水口及出水口，并且所述的模块反应腔体内部沿水流方向一下一上依次交替布设有多个挡板，所述的空气阴极与碳毡相对设置，并且所述的碳毡上附着生长有兼性厌氧菌，所述的碳刷上附着生长有藻类植物，所述的空气阴极通过外接电路与碳毡连接。与现有技术相比，本实用新型整体结构简单、紧凑，可进行模块化组合，基于藻类、兼性厌氧菌及空气阴极协同作用，不需设置离子交换膜，经济成本低，运行稳定。
摘要附图
权利要求书
1.一种用于污水处理的生物电化学装置，其特征在于，该装置包括模块反应腔体(1)、设置在模块反应腔体(1)顶部的空气阴极(2)、设置在模块反应腔体(1)底部作为阳极的碳毡(3)以及设置在空气阴极(2)与碳毡(3)之间的碳刷(4)，所述的模块反应腔体(1)顶部两端分别设有进水口(11)及出水口(12)，并且所述的模块反应腔体(1)内部沿水流方向一下一上依次交替布设有多个挡板(5)，所述的空气阴极(2)与碳毡(3)相对设置，并且所述的碳毡(3)上附着生长有兼性厌氧菌，所述的碳刷(4)上附着生长有藻类植物，所述的空气阴极(2)通过外接电路(6)与碳毡(3)连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于污水处理的生物电化学装置，其特征在于，所述的装置还包括除藻过滤器(8)，该除藻过滤器(8)通过管路与模块反应腔体(1)的出水口(12)相连通。
3.根据权利要求2所述的一种用于污水处理的生物电化学装置，其特征在于，所述的碳刷(4)沿模块反应腔体(1)内壁垂直设置在碳毡(3)上。
4.根据权利要求3所述的一种用于污水处理的生物电化学装置，其特征在于，所述的碳刷(4)底部设有金属杆(10)，并通过金属杆(10)与碳毡(3)固定连接。
5.根据权利要求2所述的一种用于污水处理的生物电化学装置，其特征在于，所述的模块反应腔体(1)顶部两端分别设有凸起腔(13)，所述的进水口(11)、出水口(12)均分别通过凸起腔(13)与模块反应腔体(1)连通。
6.根据权利要求2所述的一种用于污水处理的生物电化学装置，其特征在于，所述的挡板(5)共设有4-8个，并且相邻两挡板(5)的间距相等。
7.根据权利要求1至6任一项所述的一种用于污水处理的生物电化学装置，其特征在于，所述的进水口(11)与出水口(12)的高度相同，并且所述的进水口(11)的高度大于空气阴极(2)的高度。
8.根据权利要求1至6任一项所述的一种用于污水处理的生物电化学装置，其特征在于，所述的外接电路(6)为设有可调电阻(7)的外接电路(6)，并且所述的可调电阻(7)的阻值变化范围为0-9999Ω。
9.根据权利要求1至6任一项所述的一种用于污水处理的生物电化学装置，其特征在于，所述的模块反应腔体(1)的顶部、底部还分别设有用于将两模块反应腔体(1)堆叠连接的连接座(9)。
说明书
一种用于污水处理的生物电化学装置
技术领域
本实用新型属于生物电化学技术领域，涉及一种用于污水处理的生物电化学装置。
背景技术
面对能源危机与环境污染的双重挑战，传统的高耗能污水处理技术难以契合可持续发展的趋势，而微生物燃料电池(Microbialfuelcells,MFCs)作为一种可持续的污水处理技术，可利用各种污水中的有机物作为燃料，具有污染物处理与能源回收的双重功能，这使得微生物燃料电池引起了学术研究学者的极大兴趣。在MFC中微生物被用于系统的产电，同时还能实现有机物或废物的生物降解。
小球藻(Chlorellaspp.)是一类普生性单细胞绿藻，属于绿藻门(Chlorphyta)，早在20亿年前就出现在地球上。小球藻可在自养条件下利用光能和二氧化碳，同时吸收氮、磷进行正常的自养生长，也可在异养培养条件下利用有机碳源进行生长和繁殖，并能吸收重金属物质，又由于其种类繁多，在淡水、海水中均有分布，且易于培养，生长速度快，所以已经被越来越多地运用于污水处理领域。
授权公告号为CN101764241B的中国专利公开了一种藻类阴极双室微生物燃料电池，将藻类悬浮在阴极电解液中，相较于附着在电极上增加了藻类的生物量，充分利用了光源。但相较于直接将藻类附着在电极上，这种构型无法将藻类光合作用产生的电子充分传递到外电路形成回路，对MFC的电能输出没有利处;且双室的构造需要质子交换膜，无形中增大了装置的成本;悬浮型藻类的设计也让出水中藻类的去除成为一大难题。
另，授权公告号为CN104112868B的中国专利公开了一种单室无介体藻类微生物燃料电池，将藻类微生物悬浮液加入到玻璃容器中，在玻璃容器中插入阳极和阴极碳棒，硝酸纤维素涂布于阴极碳棒上以防止藻类的附着，利用藻类光合作用产生的氧气作为电子受体。这种构型结构简单，无需质子交换膜和电子中介体，但是单纯用藻类来处理有机污水，对于污水中有机物的高效去除难以达到。
然而，上述专利均只利用了单一藻类，无法避免藻类在夜晚时无法进行光合作用，使得污水处理缺少电子受体的缺点，同时，对于外部进水流量及污染物浓度的变化也没有相应的调节机制。
实用新型内容
本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结构简单，经济实用，可进行模块化组合，基于藻类、兼性厌氧菌及空气阴极协同作用的用于污水处理的生物电化学装置。
本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于污水处理的生物电化学装置，包括模块反应腔体、设置在模块反应腔体顶部的空气阴极、设置在模块反应腔体底部作为阳极的碳毡以及设置在空气阴极与碳毡之间的碳刷，所述的模块反应腔体顶部两端分别设有进水口及出水口，并且所述的模块反应腔体内部沿水流方向一下一上依次交替布设有多个挡板，所述的空气阴极与碳毡相对设置，并且所述的碳毡上附着生长有兼性厌氧菌，所述的碳刷上附着生长有藻类植物，所述的空气阴极通过外接电路与碳毡连接。
所述的装置还包括除藻过滤器，该除藻过滤器通过管路与模块反应腔体的出水口相连通。
所述的碳刷沿模块反应腔体内壁垂直设置在碳毡上。
所述的碳刷底部设有金属杆，并通过金属杆与碳毡固定连接。
所述的模块反应腔体顶部两端分别设有凸起腔，所述的进水口、出水口均分别通过凸起腔与模块反应腔体连通。
所述的挡板共设有4-8个，并且相邻两挡板的间距相等。
所述的进水口与出水口的高度相同，并且所述的进水口的高度大于空气阴极的高度，这样可以使得进水可充满模块反应腔体，保证空气阴极与污水的充分接触，提高空气阴极的有效利用面积;同时多个模块反应腔体堆叠时，可以给空气阴极留出充分的暴露于空气中的空间。
所述的模块反应腔体的进水口处还可以设有蠕动泵，将污水导入模块反应腔体。
所述的外接电路为设有可调电阻的外接电路，并且所述的可调电阻的阻值变化范围为0-9999Ω。
所述的模块反应腔体的顶部、底部还分别设有用于将两模块反应腔体堆叠连接的连接座。
本实用新型生物电化学装置中，所述的兼性厌氧菌为红螺菌，所述的藻类植物为球藻。碳毡附着的兼性厌氧菌发生阳极反应，降解有机物的同时产生电子;碳刷设置在模块反应腔体四壁位置吸收光能，碳刷上附着生长的藻类植物为小球藻，可进行光合作用水解H2O产生H+、电子和氧气，同时吸收氮、磷进行正常的自养生长，也可在异养培养条件下利用有机碳源进行生长和繁殖;空气阴极上部充分接触空气，下部接收部分小球藻光合作用产生的氧气，在空气阴极部分，氧气作为电子受体，与电子发生还原反应;碳刷上附着生长小球藻，可通过光合作用产生电子和氧气，产生的氧气上浮到达空气阴极下表面，产生的电子经由底部金属杆传递到碳毡进而通过外接电路到达空气阴极，两者均能促进阴极还原反应的发生，加强模块反应腔体的电能输出。
在实际应用时，污水由上部进水口进入模块反应腔体，污水中所含的有机物、氮、磷及部分重金属经由藻类及兼性厌氧菌的联合处理后，经由上部出水口流出;模块反应腔体的出水口处连有除藻过滤器，该除藻过滤器内置有丙纶丝为滤料，截留出水中的藻类，提高出水的处理效果;而模块反应腔体内部设置的挡板，使得装置兼具折流板反应器的特点，可以均匀水力，并提高污水处理效果。
所述的污水为含有氮、磷及重金属的有机污水，pH为7.5-8.5左右，溶解氧浓度约为0.5mg/L。
与现有技术相比，本实用新型将藻类、兼性厌氧菌及空气阴极协同作用进行污水处理，弥补了藻类夜晚无法继续利用光合作用产生电子受体进行污水处理的缺陷;同时，可以利用藻类吸收氮、磷及部分有机物用于自身生长的特点对污水进行进一步的优化处理;藻类光合作用产生的氧气和电子也能对阴极还原反应有促进作用，加强反应器的产电能力;反应器内部设置挡板，均匀水力，提高污水处理效果;出水口处连有外部滤藻装置，截留出水中的藻类，进一步提高污水的处理效果。具有以下特点：
1)联合利用菌、藻及空气阴极对污水中的有机物、氮、磷及部分重金属进行处理;
2)碳刷设置在模块反应腔体四壁位置，上面附着生长的小球藻可以充分利用光能，通过光合作用产生氧气和电子，产生的氧气上浮到达空气阴极，空气阴极上部充分接触空气，下部接收部分小球藻光合作用产生的氧气，促进了氧气与电子还原反应的发生，产生的电子对模块反应腔体电能的输出也有加强作用;
3)污水中所含的有机物、氮、磷及部分重金属经由藻类、兼性厌氧菌及空气阴极的联合处理后，可提升对污水的处理效果;
4)出水口处连有除藻过滤器，截留出水中的藻类，提高出水的处理效果;
5)模块反应腔体内部设置挡板来均匀水力，促进污水充分降解;
6)模块反应腔体为模块化设计，腔体的顶部及底部分别设有连接座，可以通过上下堆叠多个模块反应腔体，各模块反应腔体之间通过软管连接，并通过外部提升泵一次提升污水，污水由顶部模块反应腔体进入，从上往下依次流经各个模块反应腔体，进一步提升污水的处理效果;
7)模块反应腔体内同时存在厌氧兼性菌、藻类及空气阴极，在有外部光照的情况下可以充分利用光能提高反应器的电能输出和污染物处理效果，在无外部光照的情况下，兼性厌氧菌和空气阴极仍然可以进行有机物的降解，弥补了纯藻类微生物燃料电池夜间不能进行污水处理的缺点;
8)整体结构简单、紧凑，可进行模块化组合，基于藻类、兼性厌氧菌及空气阴极协同作用，不需设置离子交换膜，经济成本低，构型稳固，运行稳定，具有很好应用前景。
