申请日2014.12.11
公开(公告)日2015.03.25
IPC分类号H01M8/16; C02F3/34; H01M8/04
摘要
一种堆栈折流式微生物燃料电池及使用其处理废水实现零耗能的方法，它涉及一种微生物燃料电池及处理废水的方法。本发明的目的是要解决现有处理废水的装置耗能巨大，不能有效回收能量及处理后的废水不达标的问题。一种堆栈折流式微生物燃料电池包括敞口反应箱体、生物燃料电池、进水口、出水口、插口、取水口、储水箱、水泵、高位水槽、液体流量计和密封盖板;处理废水的方法：废水通过水泵的抽提由储水箱进入高位水槽，高位水槽中的废水在重力作用下流入堆栈折流式微生物燃料电池的进水口，液体流量计控制废水进入到进水口的流速，废水通过附着在多个碳纤维刷阳极上的微生物进行降解。本发明可获得一种堆栈折流式微生物燃料电池，并实现啤酒废水处理的零能耗。
摘要附图
权利要求书
1.一种堆栈折流式微生物燃料电池，其特征在于一种堆栈折流式微生物燃料电池包括敞口反应箱体(1)、第一微生物燃料电池(3)、第二微生物燃料电池(5)、第三微生物燃料电池(7)、第四微生物燃料电池(9)、第五微生物燃料电池(11)、进水口(2)、出水口(14)、第一插口(17)、第二插口(18)、第三插口(19)、第四插口(20)、第五插口(21)、第一取水口(4)、第二取水口(6)、第三取水口(8)、第四取水口(10)、第五取水口(12)、第六取水口(13)、第七取水口(15)、第八取水口(22)、第九取水口(23)、第十取水口(24)、第十一取水口(25)、储水箱(34)、水泵(35)、高位水槽(36)、液体流量计(37)和密封盖板(16);
所述的敞口反应箱体(1)的左侧壁上设有进水口(2)、右侧壁上设有出水口(14)和第七取水口(15)，前侧壁上设有第一取水口(4)、第二取水口(6)、第三取水口(8)、第四取水口(10)、第五取水口(12)和第六取水口(13)，后侧壁上设有第八取水口(22)、第九取水口(23)、第十取水口(24)和第十一取水口(25);
所述的微生物燃料电池包括两片辊压阴极(26)、多个碳纤维刷阳极(27)、U形隔板(33)、左固定框(29)、右固定框(30)、左支撑板(29-1)、右支撑板(30-1)和玻璃纤维膜(28);U形隔板(33)置于左固定框(29)和右固定框(30)之间，在U形隔板(33)与左固定框(29)和右固定框(30)之间分别夹有辊压阴极(26)，辊压阴极(26)与左固定框(29)和右固定框(30)之间分别设有玻璃纤维膜(28)，在左固定框(29)的上边沿设置有左支撑板(29-1)，在右固定框(30)的上边沿设置有右支撑板(30-1)，在左支撑板(29-1)和右支撑板(30-1)上分别开有多个阳极孔，每个碳纤维刷阳极(27)的尾部穿过阳极孔插入到微生物燃料电池的底部，左支撑板(29-1)上的多个碳纤维刷阳极(27)形成一组，每个碳纤维刷阳极(27)通过钛丝(32)串联，碳纤维刷阳极(27)与辊压阴极(26)之间形成供电回路;右支撑板(30-1)上的多个碳纤维刷阳极(27)形成一组，每个碳纤维刷阳极(27)通过钛丝(32)串联，碳纤维刷阳极(27)与辊压阴极(26)之间形成供电回路;
所述的密封盖板(16)上设有第一插口(17)、第二插口(18)、第三插口(19)、第四插口(20)和第五插口(21);密封盖板(16)覆盖在敞口反应箱体(1)的上方，第一微生物燃料电池(3)、第二微生物燃料电池(5)、第三微生物燃料电池(7)、第四微生物燃料电池(9)和第五微生物燃料电池(11)分别通过密封盖板(16)上的第一插口(17)、第二插口(18)、第三插口(19)、第四插口(20)和第五插口(21)插入到敞口反应箱体(1)内部，左支撑板(29-1)和右支撑板(30-1)搭放在密封盖板(16)上;储水箱(34) 通过水泵(35)与高位水槽(36)相连通，高位水槽(36)通过液体流量计(37)与进水口(2)相连通。
2.根据权利要求1所述的一种堆栈折流式微生物燃料电池，其特征在于所述的U形隔板(33)的厚度可调节，厚度为0.8cm～1.2cm。
3.根据权利要求1所述的一种堆栈折流式微生物燃料电池，其特征在于所述的第一微生物燃料电池(3)设置在敞口反应箱体(1)内部的第一取水口(4)和第二取水口(6)之间;第三微生物燃料电池(7)设置在敞口反应箱体(1)内部的第三取水口(8)和第四取水口(10)之间;第五微生物燃料电池(11)设置在敞口反应箱体(1)内部的第五取水口(12)和第六取水口(13)之间;第二微生物燃料电池(5)设置在敞口反应箱体(1)内部的第八取水口(22)和第九取水口(23)之间;第四微生物燃料电池(9)设置在敞口反应箱体(1)内部的第十取水口(24)和第十一取水口(25)之间。
4.根据权利要求1所述的一种堆栈折流式微生物燃料电池，其特征在于所述的在第一取水口(4)、第二取水口(6)、第三取水口(8)、第四取水口(10)、第五取水口(12)和第六取水口(13)处分别设置回流，将敞口反应箱体(1)内的沿程出水通过进水口(2)回流到敞口反应箱体(1)内;或者在第八取水口(22)、第九取水口(23)、第十取水口(24)和第十一取水口(25)处分别设置回流，将敞口反应箱体(1)内的沿程出水通过进水口(2)回流到敞口反应箱体(1)内。
5.根据权利要求1所述的一种堆栈折流式微生物燃料电池，其特征在于所述的在第七取水口(15)设置回流，将处理后的出水通过进水口(2)回流到敞口反应箱体(1)内再次进行处理。
6.利用权利要求1所述的一种堆栈折流式微生物燃料电池处理废水实现零耗能的方法，其特征在于利用一种堆栈折流式微生物燃料电池处理废水实现零耗能的方法具体是按以下步骤完成的：
废水通过水泵(35)的抽提由储水箱(34)进入高位水槽(36)，高位水槽(36)中的废水在重力作用下流入堆栈折流式微生物燃料电池的进水口(2)，液体流量计(37)控制废水进入到进水口(2)的流速，废水通过附着在多个碳纤维刷阳极(27)上的微生物进行降解，得到净化后的出水经过出水口(14)流出。
7.根据权利要求6所述的利用一种堆栈折流式微生物燃料电池处理废水实现零耗能的方法，其特征在于所述的堆栈折流式微生物燃料电池中的啤酒废水的水力停留时间为6天。
8.根据权利要求6所述的利用一种堆栈折流式微生物燃料电池处理废水实现零耗能的 方法，其特征在于所述的辊压阴极(26)与碳纤维刷阳极(27)之间形成水泵(35)的回路。
9.根据权利要求6所述的利用一种堆栈折流式微生物燃料电池处理废水实现零耗能的方法，其特征在于所述的第一微生物燃料电池(3)、第二微生物燃料电池(5)、第三微生物燃料电池(7)、第四微生物燃料电池(9)和第五微生物燃料电池(11)分别并联向五个电容电路充电，充电时两个微生物燃料电池并联向电容电路充电;电容电路分为16组，每组2个电容并联连接，充电时16组电容并联，放电时16组电容串联连接，充电时间4分钟，放电时间1分钟。
10.根据权利要求6所述的利用一种堆栈折流式微生物燃料电池处理废水实现零耗能的方法，其特征在于所述的废水为葡萄糖废水、啤酒废水、印染废水、食品废水、制药废水、造纸废水或含有秸秆发酵产酒精副产物的废水。
说明书
一种堆栈折流式微生物燃料电池及使用其处理废水实现零耗能的方法
技术领域
本发明涉及一种微生物燃料电池及处理废水的方法。
背景技术
全世界每年均会产生大量的废水，以啤酒废水为例进行说明：以生产每吨啤酒排放 20m3废水计算，我国啤酒工业排放的废水量每年达4亿m3。啤酒废水主要由浸麦水、糖 化排出的洗槽水、酿造洗罐水、包装洗瓶水和麦汁过滤冷却水组成。啤酒废水排放水量较 大，富含淀粉、蛋白质、糖类等的中等浓度的有机废水，其生化性较好。COD一般在 2000～4000mg/L，若直接排放到周边水体中，会对环境造成巨大的污染。目前，国内外啤 酒废水的处理工艺，都是以生化法为中心的处理系统。与普通物化法、化学法相比较，生 化处理法具有处理工艺成熟、处理效率高、处理成本低等优点。因此在啤酒废水的处理工 艺中，生化处理得到了广泛的应用。随着科学技术的发展，人们在实际处理过程中对生物 处理法、生物膜法、活性污泥法、好氧法、厌氧法、厌氧-好氧相结合法以及接触氧化法 等各处理方法进行优化组合，以达到对啤酒废水的最佳处理效果。目前厌氧与好氧工艺在 啤酒废水处理上的运用较为广泛。但是传统的方式处理啤酒废水能耗是极其巨大的，故啤 酒废水的低能耗处理是一个亟待解决的问题，这对促进啤酒产业持续、快速、健康的发展 都具有极其重要的意义。
微生物电化学系统是一种可利用微生物的催化作用，将有机物中的化学能转化为电能 的装置。它在各种生活和工业污水的处理，能量回收等方面具有独特的优势，因而在环境、 能源及废水处理领域受到了广泛的关注，并为啤酒废水的处理提供了一条新的思路。研究 发现啤酒废水中的有机物含有大量的能量，远大于处理这些污水所需电能。目前已经有很 多利用微生物燃料电池技术处理啤酒废水的实例，这些反应器的反应机理都是相同的：啤 酒废水中的淀粉、蛋白质、糖类在阳极发生氧化反应，生成二氧化碳和电子，产生的电子 从阳极通过外电路传递到阴极，并在阴极与扩散进的氧气发生还原反应生成水。与传统的 反应器相比，微生物燃料电池反应器处理啤酒废水的时候即实现了电能的产生又去除了废 水中的有机物，使得废水达标排放。且在微生物电化学处理啤酒废水的过程中，产生的污 泥量较传统的生物厌氧以及好氧反应器少，因此大大减少了污泥的处理和处置所消耗的能 源和资源，环境亲和力更强。尽管微生物燃料电池处理啤酒废水的系统经过不断的优化和 改进，已经克服了很多的问题，例如从最初的利用立方体反应器研究温度对反应器性能的 影响到现在较大的升级反应器研究啤酒废水的高效快速处理，系统的输出功率不断提高、 有机物处理负荷及SS等去除效率明显提高。但从目前的反应器设计与大型化应用角度来 看，还存在以下几个问题：a.微生物燃料电池处理啤酒废水的时候多用电阻与反应器相 连的方式回收能量，这种方式回收的能量都是以热能的形式散发掉，并没有真正地将回收 的能量用于废水处理中水力提升或曝气所需的能耗，这有悖于微生物电化学系统回收能量 的初衷;b.使用微生物燃料电池技术处理啤酒废水时，反应器的体积偏小，多为毫升或 升级，这对大型化和实用化来说是远远不够的，因此设计一种能够方便大型化和实用化的 反应器是及其必要的;c.为了提高系统的功率输出，阴极多采用铂碳阴极，这不仅提高 了反应器的构建成本，更限制了其大型化和实用化的可能性，采用成本低廉性能优异的阴 极迫在眉睫。
发明内容
本发明的目的是要解决现有处理废水的装置耗能巨大，不能有效回收能量及处理后的 废水不达标的问题，而提供一种堆栈折流式微生物燃料电池及使用其处理废水实现零耗能 的方法。
一种堆栈折流式微生物燃料电池包括敞口反应箱体、第一微生物燃料电池、第二微生 物燃料电池、第三微生物燃料电池、第四微生物燃料电池、第五微生物燃料电池、进水口、 出水口、第一插口、第二插口、第三插口、第四插口、第五插口、第一取水口、第二取水 口、第三取水口、第四取水口、第五取水口、第六取水口、第七取水口、第八取水口、第 九取水口、第十取水口、第十一取水口、储水箱、水泵、高位水槽、液体流量计和密封盖 板;
所述的敞口反应箱体的左侧壁上设有进水口、右侧壁上设有出水口和第七取水口，前 侧壁上设有第一取水口、第二取水口、第三取水口、第四取水口、第五取水口和第六取水 口，后侧壁上设有第八取水口、第九取水口、第十取水口和第十一取水口;
所述的微生物燃料电池包括两片辊压阴极、多个碳纤维刷阳极、U形隔板、左固定框、 右固定框、左支撑板、右支撑板和玻璃纤维膜;U形隔板置于左固定框和右固定框之间， 在U形隔板与左固定框和右固定框之间分别夹有辊压阴极，辊压阴极与左固定框和右固 定框之间分别设有玻璃纤维膜，在左固定框的上边沿设置有左支撑板，在右固定框的上边 沿设置有右支撑板，在左支撑板和右支撑板上分别开有多个阳极孔，每个碳纤维刷阳极的 尾部穿过阳极孔插入到微生物燃料电池的底部，左支撑板上的多个碳纤维刷阳极形成一 组，每个碳纤维刷阳极通过钛丝串联，碳纤维刷阳极与辊压阴极之间形成供电回路;右支 撑板上的多个碳纤维刷阳极形成一组，每个碳纤维刷阳极通过钛丝串联，碳纤维刷阳极与 辊压阴极之间形成供电回路;
所述的密封盖板上设有第一插口、第二插口、第三插口、第四插口和第五插口;密封 盖板覆盖在敞口反应箱体的上方，第一微生物燃料电池、第二微生物燃料电池、第三微生 物燃料电池、第四微生物燃料电池和第五微生物燃料电池分别通过密封盖板上的第一插 口、第二插口、第三插口、第四插口和第五插口插入到敞口反应箱体内部，左支撑板和右 支撑板搭放在密封盖板上;储水箱通过水泵与高位水槽相连通，高位水槽通过液体流量计 与进水口相连通。
利用一种堆栈折流式微生物燃料电池处理废水实现零耗能的方法，具体是按以下步骤 完成的：
废水通过水泵的抽提由储水箱进入高位水槽，高位水槽中的废水在重力作用下流入堆 栈折流式微生物燃料电池的进水口，液体流量计控制废水进入到进水口的流速，废水通过 附着在多个碳纤维刷阳极上的微生物进行降解，得到净化后的出水经过出水口流出。
本发明的优点：
一、以往在利用微生物燃料电池技术处理实际废水的研究中，通常使用的是毫升大小 的反应器来研究废水的物理指标或化学指标对其产电性能的研究;很少有微生物燃料电池 反应器能够做到100L左右来处理实际的废水，在毫升大小的反应器内实际废水的处理过 程和在大的反应器中实际废水的处理过程有着很大不同：表现在反应器的密封状态，有效 微生物附着量，反应器的启动和运行等。本发明首次使用100L微生物燃料电池系统处 理实际的啤酒废水，在出水水质方面取得了良好的效果;使用本发明堆栈折流式微生物燃 料电池处理后的出水中TCOD的去除率为87%～88%，SCOD的去除率为86%～87%，SS 的去除率为86%～87%，TOC的去除率为86%～87%;
二、利用微生物燃料电池技术处理实际废水时通常使用电阻来测定电池的产电的性 能，电能是通过电阻放热的形式得到散发的，这就造成了电池产电的浪费;本发明第一次 实现了微生物燃料电池处理实际废水时产能的原位利用，啤酒废水中有机物氧化释放的化 学能通过微生物燃料电池以电能的形式得到释放，经过电容电路得到回收，经过电能的分 配给用电器;
三、利用折流式反应器构造，使啤酒废水在反应器内部得到最大程度的停留，使得碳 纤维刷上的微生物能够有效地氧化废水中的有机物;
四、本发明中微生物燃料电池的设计和使用能够使得系统在废水处理效能方面大大增 强，采用微生物燃料电池插入的方式使得本发明的堆栈折流式微生物燃料电池的放大更为 简单易行;本发明处理实际啤酒废水时候采用价格低廉的不锈钢网辊压阴极以提高系统的 能量输出，增大其大型化应用的可能性;
五、本发明采用折流式的堆栈方式能够最大程度的使啤酒废水接触有效地微生物附着 区，在较小的水力停留时间内获得最大的处理效果;
六、本发明堆栈折流式微生物燃料电池中采用多个微生物燃料电池的设计使得系统的 抗浓度冲击，抗水力冲击，抗负荷冲击能力加强;系统运行的稳定性增强;
七、相比于传统的用电阻来收集能量的方式，本发明第一次将微生物燃料电池产生的 电能原位利用在实际废水处理上，实现了废水处理过的零能耗。
