專利名稱：厭氧流化床空氣陰極微生物燃料電池裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于液固流化床反應(yīng)器生物燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種 將液固流化床和微生物燃料電池相集成用于廢水處理的技術(shù)裝置，特 別是一種厭氧流化床空氣陰極微生物燃料電池裝置，適用于啤酒工業(yè) 廢水、食品加工廢水、城市生活污水等有機(jī)物污水處理場(chǎng)合。
背景技術(shù)：
目前，工業(yè)發(fā)展和人口急劇膨脹對(duì)資源和環(huán)境造成了嚴(yán)重威脅， 合理利用資源，實(shí)現(xiàn)廢物的資源化利用是環(huán)保減排和緩解資源短缺的 有效途徑。由于城市生活污水和工業(yè)生產(chǎn)廢水的不斷增加，凈化處理 能力嚴(yán)重不足，水環(huán)境日益惡化。現(xiàn)有的污水處理方法主要包括物理 處理法、化學(xué)處理法和生物處理法等，其中最常用的生物處理法包括 兩種 一種是利用微生物在污水池中進(jìn)行曝氣處理，消耗大量能量， 污水處理成本高，不利于推廣；另一種是利用厭氧微生物將污水中的 有機(jī)物氧化分解為二氧化碳以及甲烷等小分子物質(zhì)，但是厭氧處理過 程不能將有機(jī)物徹底氧化，產(chǎn)生甲烷、 一氧化碳等氣體。甲烷、 一氧 化碳等氣體如不進(jìn)行后處理會(huì)對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生二次污染。因此需要研 究高效的有機(jī)廢水的處理方法。微生物燃料電池技術(shù)利用異化菌為催 化劑將呼吸作用中的電子供體(如葡萄糖、醋酸等)徹底氧化為二氧 化碳，同時(shí)產(chǎn)生電能，該技術(shù)具有反應(yīng)條件溫和，設(shè)備簡(jiǎn)單，易操作， 運(yùn)行成本低，對(duì)污水有機(jī)物去除效果好等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)在污水處理的 同時(shí)回收能量的雙重效果，是一種應(yīng)用前景廣泛的污水處理技術(shù)，但 該技術(shù)目前尚未形成規(guī)?；某墒鞈?yīng)用。厭氧流化床陽(yáng)極空氣陰極單 室微生物燃料電池是將微生物燃料電池技術(shù)與流化床反應(yīng)器相集成 而研究開發(fā)的一種新型反應(yīng)器，屬于待開發(fā)和創(chuàng)新的技術(shù)。電池(MFC) 多適用于實(shí)驗(yàn)室的研究，陽(yáng)極多用攪拌的方式，存在微生物分布不均 勻，傳質(zhì)效率低，不易于污水處理工業(yè)放大等突出缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，開發(fā)一種液固厭氧 流化床陽(yáng)極空氣陰極單室微生物燃料電池廢水處理裝置，該裝置易于 工業(yè)化，可在實(shí)現(xiàn)污水處理同時(shí)生產(chǎn)電能，通過調(diào)節(jié)床層高度、污水 流量、廢水濃度和種類、液體分布孔尺度、厭氧污泥和載體顆粒用量 及粒度等操作參數(shù)，實(shí)現(xiàn)污水化學(xué)耗氧量(COD)污染物的有效去除和 產(chǎn)電性能的提高。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明裝置的主體結(jié)構(gòu)包括污水入口、污 水出口、污水入口預(yù)分布室、液體分布板、流化床體、流化床擴(kuò)大段、 流化顆粒(填料)、密封蓋、氣體收集出口、測(cè)試口、陽(yáng)電極、導(dǎo)線、 陰極和負(fù)載，各部件配合組成厭氧流化床陽(yáng)極空氣陰極微生物燃料電 池裝置；裝置底部制有污水入口，污水入口上部制有預(yù)分布室，預(yù)分 布室和流化床體之間制有液體分布板，流化床體內(nèi)下部裝有流化顆 粒，流化顆粒由厭氧污泥及其載體顆?；旌霞尤肓骰卜磻?yīng)區(qū)；陽(yáng)電 極豎向位于流化床體內(nèi)側(cè)， 一端插入流化顆粒(填料)內(nèi)引出和傳導(dǎo) 有機(jī)物降解產(chǎn)生的電子，空氣膜陰極位于流化床體外側(cè)，并通過環(huán)氧 膠密封，陽(yáng)電極另一端和空氣膜陰極之間通過導(dǎo)線連接，并串聯(lián)負(fù)載 相連形成閉合回路；上下順序排列的測(cè)試口位于流化床體外側(cè)壁，用 于測(cè)定床層壓力和流化顆粒流速；污水入口預(yù)分布室使菌液分布均 勻，實(shí)現(xiàn)流化顆粒的充分流化，改善廢水處理效果，增加產(chǎn)電功率， 降低內(nèi)阻；污水由污水入口依次經(jīng)過預(yù)分布室和液體分布板進(jìn)入流化 床體內(nèi)，厭氧污泥混合菌掛膜于流化顆粒上處于流化狀態(tài)；流化床體
頂部設(shè)置有密封蓋，將陽(yáng)電極處于密封狀態(tài)并保持厭氧環(huán)境，密封蓋 中心設(shè)置有氣體收集出口；陽(yáng)電極與陰極之間距離為10 mm-20 mm; 陰極為空氣膜陰極，以不銹鋼絲網(wǎng)為支撐體，通過法蘭連接于厭氧流 化床體外側(cè)。
本發(fā)明與傳統(tǒng)的微生物燃料電池相比具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)陽(yáng)電極 室采用厭氧生物流化床，廢水自下向上流過床層使填料呈流化狀態(tài)， 增加了單位時(shí)間內(nèi)生物膜同廢水的接觸面積，強(qiáng)化了污水中有機(jī)物的
4傳質(zhì)，加快了生化反應(yīng)速率；(2)采用空氣陰極，減少曝氣動(dòng)力消耗， 避免了氧在水中溶解度對(duì)陰極氧還原動(dòng)力學(xué)的限制；(3)厭氧流化床 陽(yáng)極空氣陰極微生物燃料電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積功率密度高，易于工業(yè) 放大；本發(fā)明以廢水作為電池燃料，以厭氧污泥為混合菌種源，采用 空氣陰極，降低了電池成本，提高了產(chǎn)電性能，還具有操作區(qū)域?qū)挘?操作可靠，厭氧流化床傳質(zhì)效果好，生化反應(yīng)速率快，易于放大和工 業(yè)化應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)，廣泛適用于不同化學(xué)耗氧量(COD)濃度污水的凈化 處理。


圖1為本發(fā)明裝置的平面結(jié)構(gòu)原理示意圖。 圖2為本發(fā)明裝置的電池啟動(dòng)期電壓圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明裝置作進(jìn)一步的描述。 實(shí)施例
本實(shí)施例結(jié)構(gòu)主體包括污水入口 1、預(yù)分布室2、液體分布板3、
測(cè)試口4、流化床體5、流化床擴(kuò)大段6、污水出口7、密封蓋8、氣 體收集出口9、負(fù)載IO、導(dǎo)線ll、催化劑顆粒擋板12、陽(yáng)電極13、 陰極14和流化顆粒15，各部件組合構(gòu)成厭氧流化床陽(yáng)極空氣陰極單 室微生物燃料電池裝置；污水入口 l位于反應(yīng)器底部中心位置，管徑 015 mm;污水出口 7位于流化床體側(cè)壁距頂部50 mm處，管徑0> 15 mm; 氣體收集出口 9位于密封蓋8的頂部中心位置，管徑①10 mm;預(yù)分 布室2的直徑為40 mm，并通過法蘭與流化床體5連接；液體分布板 3開孔直徑①1.5-2.5mm，開孔率10_15%，確保污水均勻進(jìn)入；催化 劑顆粒擋板12的直徑070 mm，板面開孔直徑02-3 mm，開孔率 10-15%，固定在流化床擴(kuò)大段6，確保催化劑顆?；蛄骰w粒不隨污 水流出反應(yīng)器；流化床體5分為反應(yīng)區(qū)和流化床擴(kuò)大段6，其中流化 床反應(yīng)區(qū)為有機(jī)玻璃圓筒，直徑40mm，高450 mm;流化床擴(kuò)大段6 的直徑70 mm，高150 mm;流化顆粒(填料)15為厭氧回流段厭氧污 泥(馴化30天)與活性炭載體顆粒按比例混合，填充于流化床體的反應(yīng)區(qū)內(nèi)；陽(yáng)電極13為直徑05 mm，長(zhǎng)150 mm的石墨碳棒，碳棒底 部位于流化顆粒15內(nèi)，另一端焊接導(dǎo)線導(dǎo)出電子；空氣膜陰極14為 nafion膜和載鉑碳紙熱壓而成，外側(cè)以絲網(wǎng)為支撐，并用環(huán)氧膠密 封；若干個(gè)上下排列的測(cè)試口4 (04mrn)位于有機(jī)玻璃側(cè)壁，用于 測(cè)定床層壓力和顆粒流速。
本實(shí)施例的待處理合成污水從污水入口 1 (管徑①15 mm)進(jìn)入 水預(yù)分布室2，穿過多孔液體分布板3 (直徑040 mm，板面開孔直徑 。1.5-2.5 mm，開孔率10-15%)進(jìn)入流化床體5的反應(yīng)區(qū)(直徑① 40 mm);污泥和載體顆粒填充于反應(yīng)區(qū)內(nèi)，在污水流場(chǎng)的作用下流化， 污泥中的混合菌作為催化劑將污水中的有機(jī)物直接氧化為二氧化碳， 產(chǎn)生的電子通過石墨碳棒陽(yáng)電極13引出至陰極14，氫質(zhì)子經(jīng)過質(zhì)子 交換膜到達(dá)陰極14，陰極14以空氣為電子接受體與氫質(zhì)子反應(yīng)生成 水，即將污水中C0D直接轉(zhuǎn)化為小分子物質(zhì)C02、 H20。處理后的污水 經(jīng)過流化床擴(kuò)大段6 (①70mm)，穿過催化劑顆粒擋板12 (①70 mm， 板面開孔直徑①2-3 mm，開孔率10-15%)，經(jīng)污水出口7流出，部分 回流至流化床反應(yīng)器；測(cè)試口4 (04mrn)用于測(cè)定床層壓力和流化 顆?；虼呋瘎╊w粒的流速。
本實(shí)施例在實(shí)踐應(yīng)用中具有以下技術(shù)特征 一是污水的流速控制 10 ml/min-250 ml/min之間，會(huì)造成床層節(jié)涌和流化顆粒的損失， 從而降低傳質(zhì)效果和電子產(chǎn)生與傳遞；二是液體預(yù)分布室的作用是保 障污水流動(dòng)的均一性，從而保證流化床體內(nèi)流化顆粒的流化均勻性， 污水入口 1和氣體收集出口 9設(shè)計(jì)在中軸線上；三是流化顆粒與氣體 流速有密切關(guān)系，顆粒粒徑的選擇在0.2mm到5mm之間；四是污水 擋板設(shè)計(jì)方面，為防止流化顆粒的流失，擋板下附加一層絲網(wǎng)；五在 污水入口預(yù)分布室內(nèi)設(shè)計(jì)過濾層，過濾處理的污水含有顆粒物雜質(zhì)， 防止堵塞液體分布板孔。
本實(shí)施例適于不同C0D濃度的污水處理，COD去除率可達(dá)87%， 具有良好的污水處理效果。附圖2為本實(shí)施例電池啟動(dòng)期電池電壓變 化曲線圖，將顆粒粒徑為0.2-1 mm的活性炭和培養(yǎng)好的厭氧污泥以6:5的比例投入?yún)捬趿骰碴?yáng)極反應(yīng)器內(nèi)，系統(tǒng)溫度在28±3 'C條件 下運(yùn)行時(shí)，電池啟動(dòng)較快，系統(tǒng)初始電壓為0.2 v,運(yùn)行至第五天， 開路電壓為0.904 v;繼續(xù)運(yùn)行一周后，體系運(yùn)行正常，電壓穩(wěn)定于 0.7-1.2v之間；表明本實(shí)施例傳質(zhì)效率高、電池啟動(dòng)快、處理效果 好、易于工業(yè)放大等優(yōu)點(diǎn)，有利于獲得較多的生物質(zhì)能，實(shí)現(xiàn)生物發(fā) 電和同步廢水處理技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。
權(quán)利要求
1. 一種厭氧流化床空氣陰極微生物燃料電池裝置，主體結(jié)構(gòu)包括污水入口、污水出口、污水入口預(yù)分布室、液體分布板、流化床體、流化床擴(kuò)大段、流化顆粒、密封蓋、氣體收集出口、測(cè)試口、陽(yáng)電極、導(dǎo)線、陰極和負(fù)載，其特征在于裝置底部制有污水入口，污水入口上部制有預(yù)分布室，預(yù)分布室和流化床體之間制有液體分布板，流化床體內(nèi)下部裝有流化顆粒，流化顆粒由厭氧污泥及其載體顆粒混合加入流化床反應(yīng)區(qū)；陽(yáng)電極豎向位于流化床體內(nèi)側(cè)，一端插入流化顆粒內(nèi)引出和傳導(dǎo)有機(jī)物降解產(chǎn)生的電子，空氣膜陰極位于流化床體外側(cè)，并通過環(huán)氧膠密封，陽(yáng)電極另一端和空氣膜陰極之間通過導(dǎo)線連接，并串聯(lián)負(fù)載形成閉合回路；上下順序排列的測(cè)試口位于流化床體外側(cè)壁，用于測(cè)定床層壓力和流化顆粒流速；污水入口預(yù)分布室使菌液分布均勻，實(shí)現(xiàn)流化顆粒的充分流化，改善廢水處理效果，增加產(chǎn)電功率，降低內(nèi)阻；污水由污水入口依次經(jīng)過預(yù)分布室和液體分布板進(jìn)入流化床體內(nèi)，厭氧污泥混合菌掛膜于流化顆粒上處于流化狀態(tài)；流化床體頂部設(shè)置有密封蓋，將陽(yáng)電極處于密封狀態(tài)并保持厭氧環(huán)境，密封蓋中心設(shè)置有氣體收集出口；陽(yáng)電極與陰極之間距離為10mm-20mm；陰極為空氣膜陰極，以不銹鋼絲網(wǎng)為支撐體，通過法蘭連接于厭氧流化床體外側(cè)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種將液固流化床和微生物燃料電池相集成用于廢水處理的技術(shù)裝置，特別是一種厭氧流化床空氣陰極微生物燃料電池裝置；其底部制有污水入口，污水入口上部制有預(yù)分布室，預(yù)分布室和流化床體之間制有液體分布板，流化床體內(nèi)下部裝有流化顆粒；陽(yáng)電極豎向位于流化床體內(nèi)側(cè)，一端插入流化顆粒內(nèi)引出電子，空氣膜陰極位于流化床體外側(cè)，并通過環(huán)氧膠密封，陽(yáng)電極另一端和空氣膜陰極之間通過導(dǎo)線連接，并串聯(lián)負(fù)載形成閉合回路；氣體收集出口位于密封蓋頂部中心；上下順序排列的測(cè)試口位于流化床體外側(cè)壁；其制備成本低，性能高，操作可靠，效果好，速率快，易于放大和工業(yè)化應(yīng)用。
文檔編號(hào)C02F1/461GK101462785SQ20091001375
公開日2009年6月24日 申請(qǐng)日期2009年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月7日
發(fā)明者劉新民, 岳學(xué)海, 王許云, 趙書菊, 郭慶杰 申請(qǐng)人:青島科技大學(xué)