申请日2015.02.11
公开(公告)日2016.10.05
IPC分类号C02F3/30; H01M8/16
摘要
本发明提供了一种污水处理发电方法及装置，其方法特征为在污水处理构筑物上部或曝气池中通过鼓风曝气，机械曝气等方式形成富氧区，氧化还原电位为正，在构筑物底部或沉淀池中形成缺氧区，氧化还原电位为负，本方法电极为模块化结构，通过分别在富氧区和缺氧区布设导电层，收集微生物氧化还原作用过程中产生的电能，两者间电势为氧化还原电位之差。本装置包括竖直升流式浅层曝气污水发电，水平推流式表层机械曝气发电或基于曝气池和沉淀池之间的氧化还原电位产电。本发明的污水处理发电装置的方法及装置除具有促进氧化还原反应，收集污水电能之外，还能作为传感器实时监测曝气程度，强化脱氮除磷效果和作为电容提高对水中重金属离子电吸附去除。
权利要求书
1.一种污水处理过程中产电的方法及装置，其特征包括：在污水处理构筑物上部或曝气池中通过鼓风曝气，机械曝气等方式形成富氧区，氧化还原电位为正，在构筑物底部或沉淀池中形成缺氧区，氧化还原电位为负，本方法通过分别在富氧区和缺氧区布设导电层，收集微生物氧化还原作用过程中产生的电能，两者间电势为氧化还原电位之差。
2.根据权利要求1所述的污水处理过程中产电装置，其特征还包括：所述电极可以由一块块电极模块连接排列组成，每个电极模块的尺寸为0.02-2m2，电极形状为可以为板状，棒状，球状，圆柱状等，电极模块之间通过网格状或阵列状布设，其由保护支撑层和导电电极层构成，电极模块电路可以串并联连接，这样即便于生产同时可组装适应不同污水构筑物形状要求，模块间柔性连接提高了对表面水流振荡的缓冲以及通过电极间的串并联提高产电电压或电流。
3.根据权利要求1-2所述的污水处理过程中产电装置，其特征还包括所述电极模块的导电层厚度为0.5-20mm，导电材料包括碳纤维毡，碳毡，碳粉，石墨烯，焦炭，半焦炭，导电沥青，导电橡胶，导电布，导电气凝胶，不锈钢网，石墨板，活性炭压层，活性炭胶结板以及铁、铝、锌、铜、银、钛等泡沫金属、导电合金等材料。
4.根据权利要求1-2所述的污水处理过程中产电装置，其特征还包括所述保护支撑层上下包裹导电电极层同时引出连接导线，其材料包括透水性的苫布，网格布，塑料网，橡胶网，涤纶化纤网金属丝网等包覆支撑材料通过缝合、胶结、装订等方式固定连接，所述导线连接头为即插式防水结构设计，连接之后通过聚氨酯，聚甲基丙烯酸甲酯，聚苯硫醚，硅酮，丁基，环氧树脂，有机硅等材料进行绝缘防水密封。
5.根据权利要求1-3中任何一项所述的污水处理过程中产电装置，其特征还包括：所述阴极电极本身漂浮于反应池水面或位于水面下0-20cm以内位置，阴极电极优先选用板状电极模块阵列化连接，以增加电容大小，阳极电极位于污泥层平均厚度以上0-150cm处，阳极电极优先选用棒状或球状电极模块网格化连接以便于污泥沉降，电极均通过惰性材料固定，所述惰性材料包括：玻璃钢，塑料，水泥，竹板，木质，不锈钢等。
6.根据权利要求1-3中任何一项所述的污水处理过程中产电装置，其特征还包括：为了增强好氧曝气氧化区的充氧效果，在反应池阳极附近通过浅层曝气或机械转刷曝气等形式增强阳极附近的含氧量，所述浅层曝气的曝气头位于池体水面以下20-80cm位置，阳极电极本身固定于反应池曝气头以下大于1米位置;在反应池阳极附近通过污泥沉淀和覆盖等形式增强阳极附近的厌氧水解和还原效果，增强微生物产生电子传输到阳极材料上。
7.根据权利要求1-3中任何一项所述的污水处理过程中产电装置，其特征还包括：为了增强好氧曝气氧化区与厌氧还原沉淀区的电势电位差值，提高产电电压，两区域之间还可以通过透水材料分隔，包括气凝胶，无纺布，丝绸，涤纶，尼龙透水毡，透水石，透水海绵，微滤平板膜等透水材料，也可以通过斜板沉淀装置等进行分隔。
8.根据权利要求1-3中任何一项所述的污水处理过程中产电装置，其特征还包括：竖直升流式浅层曝气污水发电，包括在初沉池，活性污泥曝气池，二沉池等;水平推流式表曝机曝气污水发电，包括在氧化沟，氧化沟结合膜生物反应器(MBR)等模式。
9.根据权利要求1-3中任何一项所述的污水处理过程中产电装置，其特征还包括：反应池中污水的进水依次经过阳极-阴极或阴极-阳极，具体根据水质特征和工艺流程确定流经次序，阳极与阴极之间可上下对应放置，以提高正负极电容大小和提高对电容电吸附强化脱氮除磷效果，也可以阳极与阴极为不同反应池通过管路相互连通。
10.根据权利要求1-3中任何一项所述的污水处理过程中产电装置，其特征还包括其本身可以作为污水厂运行传感器，根据发电产生的电压，电流和电量随时间变化特征，实时监测污水的氧化曝气过程与消化反硝化处理效果，并通过有线数据采集，无线发射等模式传输反馈到控制单元，实现污水运行的智能化控制曝气回流比等参数。
说明书
污水处理过程中直接产电方法及装置
技术领域
本发明涉及一种与污水处理技术相结合的发电技术，尤其涉及在污水处理运行过程中进行污水产电收集的装置，属于水处理技术领域。
背景技术
随着我国城市化进程的快速发展，污水处理厂在我国大面建设，污水处理率逐步提高，而现有污水处理工艺，都会消耗大量的外部能源和资源;同时污水是一种重要的可再生资源，应该把它耗能毫无这一基本属性，转变成能耗作为污水处理过程中产生的能源或资源回收。目前从污水中直接提取能源的方式很少。主要的利用方式一种是基于污水养殖藻类生产生物柴油，需要大量的光照和温度保持，同时后续处理工艺复杂，实际应用有限，还处于实验室阶段;另有微生物燃料电池虽然可以利用污水发电，但其主要材料是质子交换膜(阳离子/阴离子交换膜等)作为阴阳电极室的分割材料，其成本较高，在实际处理过程中难于应用。目前实际应用的主要还是基于污水处理之后产生的污泥，通过污泥厌氧消化产沼气燃烧发电，其需要大型的厌氧发酵罐，沼气收集装置和沼气的脱硫净化提纯装置等，最后通过燃气轮机发电。由于污泥厌氧产生沼气发电装置运行控制复杂，投资成本巨大，目前在国内的应用效果并不好。
因此，现阶段寻找低成本的可以直接应用的污水直接处理发电技术，提高污水的能源自给率，降低污水处理能耗，同时提高城市污水处理厂的脱氮除磷效果，本发明就是试图将污水发电直接应用在污水厂处理过程中的方法和装置。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种直接污水处理净化过程中产电的方法和装置。本发明的方法为对于污水厂处理过程中的好氧曝气区和厌氧水解沉淀区的氧化还原电位的差异，通过电极材料收集两区域之间电势差的电流，形成原电池反应。本发明收集微生物氧化还原作用过程中产生的电能，两者间电势为氧化还原电位之差。利用污水处理过程中的微生物氧化还原反应产电，将厌氧还原区的电子通过导体传输到好氧氧化区的电极，可以作为传感器实时监测曝气程度，强化调控消化反硝化效果，在两电极之间形成对电容，促进污水中重金属离子的电吸附去除净化和磷酸盐的回收。
本发明提出的直接污水处理净化过程中产电的方法，其特征是用于污水处理的原电池电极，包括在污水处理构筑物上部或曝气池中通过鼓风曝气，机械曝气等方式形成富氧区，处于好氧曝气区的阴极电极氧化还原电位为正，在构筑物底部或沉淀池中形成缺氧区，位于厌氧沉淀区的阳极电极氧化还原电位为负，所述的阳极和阴极通过导线相连。
本发明所述的直接污水处理净化过程中产电的方法，其特征还包括整个电极是由一个个电极模块单元连接排列组成，单个电极模块的尺寸大小为0.02-2m2，电极形状为可以为板状，棒状，球状，圆柱状等，电极模块之间通过网格状或阵列状布设，其由保护支撑层和导电电极层构成，电极模块电路可以串并联连接，这样即便于生产同时可组装适应不同污水构筑物形状要求，模块间柔性连接提高了对表面水流振荡的缓冲以及通过电极间的串并联提高产电电压或电流。
本发明所述的电极模块的导电层厚度为0.5-20mm，导电材料包括碳纤维毡，碳毡，碳粉，石墨烯，焦炭，半焦炭，导电气凝胶，导电沥青，导电橡胶，导电布，不锈钢网，石墨板，活性炭压层，活性炭胶结板以及铁、铝、锌、铜、银、钛等泡沫金属、导电合金材料，保护支撑层上下包裹导电电极层同时引出连接导线，其材料包括透水性的苫布，网格布，塑料网，橡胶网，涤纶化纤网金属丝网等包覆支撑材料通过缝合、胶结、装订等方式固定连接。所述导线连接头为即插式防水结构设计，连接之后通过聚氨酯，聚甲基丙烯酸甲酯，聚苯硫醚，硅酮，丁基，环氧树脂，有机硅等材料进行绝缘防水密封。
本发明提出的直接污水处理净化过程中产电的方法，其特征包括阴极电极本身漂浮于反应池水面或位于水面下0-20cm以内位置，阴极电极优先选用板状电极模块阵列化连接，以增加电容大小，阳极电极位于污泥层平均厚度以上0-150cm处，阳极电极优先选用棒状或球状电极模块网格化连接，便于污泥沉降。阴极和阳极均通过惰性材料固定，所述惰性材料包括：玻璃钢，塑料，水泥，竹板，木质，不锈钢等。
本发明所述方法及装置特征还包括：为了增强好氧曝气氧化区的充氧效果，在反应池阴极附近通过浅层曝气或机械转刷曝气等形式增强阴极附近的含氧量，所述浅层曝气的曝气头位于池体水面以下20-80cm位置。为了增强厌氧沉淀区的还原效果，阳极电极本身固定于反应池曝气层以下大于1米位置;在反应池阳极附近通过污泥沉淀和覆盖等形式增强阳极附近的厌氧水解和还原效果，增强微生物产生电子传输到阳极材料上。
优选地，为了增强好氧曝气氧化区与厌氧还原沉淀区的电势电位差值，提高产电电压，两区域之间还可以通过透水材料分隔，包括气凝胶，无纺布，丝绸，涤纶，尼龙透水毡，透水石，透水海绵，微滤平板膜等透水材料，也可以通过斜板沉淀装置等进行分隔。
本发明提出的反应池中的进水依次经过阳极-阴极或阴极-阳极，具体根据水质特征和工艺流程确定流经次序。阳极与阴极之间可以上下对应放置，以提高正负极电容大小和提高电吸附强化脱氮除磷效果，也可以阳极与阴极为不同反应池通过管路相互连通。
本发明提出的用于污水处理厂的微生物氧化还原电势电能收集装置，其优点是，可以直接应用于已有的污水处理厂构筑物中，相对于微生物燃料电池装置的结构进行了改进，去掉了其中的阴/阳离子交换膜和质子交换膜，虽然相对微生物燃料电池电位有所降低，但是电池内阻减小，电流增大，同时大规模的降低装置成本。同时本方法实现了在电场力作用下，阳离子(铵根)靠近阴极吸附，阴离子(磷酸根)靠近阳极吸附，从而通过电容电吸附作用强化了污水中氮磷的脱除。由于阳极产电微生物可以催化污水中有机物的氧化分解，因而本发明反应器同时具备污水净化的功能。同时可以利用污泥回流和阳极所产生的氢离子与阴极所产生的氢氧根离子间的中和反应来稳定反应池污水的pH条件，从而维持反应池的产电性能，获得更好的处理效果。
本发明基于污水处理厂的电极装置可同时实现污水净化、产电、脱氮除磷，且pH条件稳定，处理效果好，生产过程不额外增加能量输入，同时还能从污水处理中收集能源。其本身还可以作为污水厂运行传感器，根据发电产生的电压，电流和电量随时间变化特征，实时监测污水的氧化曝气过程与消化反硝化处理效果，并通过有线数据采集，无线发射等模式传输反馈到控制单元，实现污水运行的智能化控制曝气回流比等参数，从而实现智能化运行实时反馈，装置易操作，能耗低。
本发明的产电电极模块化连接，可多形式组装，可以根据需要制作成所需形状的大小面积，便于组装操作和检修，由此可以使其应用领域更为广泛。
