申请日2017.09.11
公开(公告)日2017.11.24
IPC分类号C02F3/30; C02F3/34
摘要
本发明提供一种可移动少量曝气的微生物燃料电池(MFC)和微生物燃料电解池(MEC)耦合对低C/N城市污水进行脱氮除磷的组合式生物反应器及其污水处理方法，本发明提供的组合式微生物双源电化学污水处理器，其特征在于包括：组合式多级生物反应池、三组MFC构成的双电源与三组MEC通过导线与二极管通过特定方法连接所构成的两组耦合生物处理系统、以及PLC自动化控制系统。
权利要求书
1.一种组合式微生物双源电化学污水处理器，其特征在于，包括:
组合式多级生物反应池、三组MFC构成的双电源与三组MEC通过导线与二极管通过特定连接所构成的两组耦合生物处理系统以及PLC半自动化控制装置。
2.根据权利要求1所述的组合式微生物双源电化学污水处理器，其耦合处理系统特征在于：
其中，所述耦合生物处理系统包括一号耦合生物处理系统和二号耦合生物处理系统，
一号耦合生物处理系统包括第一厌氧池中的两组微生物燃料电池构成的一号电源、位于第三好氧池中的一号微生物电解池、位于第四缺氧池中的二号微生物电解池以及位于第六池中的碳材料膜反应器，
二号耦合生物处理系统包括位于第二缺氧池中的二号微生物燃料电池组构成的二号电源、位于第三好氧池中的一号微生物电解池及位于第五缺氧池中的三号微生物电解池。
3.根据权利要求2所述的组合式微生物双源电化学污水处理器，其电路连接特征在于：
其中，一号电源中的第一组MFC产生的生物电能通过铜导线和二极管接入第四反应池中的MEC且并联第六反应池的膜反应器，第二组MFC产生的生物电能通过铜导线和二极管接入第三反应池中的MEC，
二号电源的MFC产生的生物电能通过铜导线和二极管接入第三反应池的MEC且并联第五反应池的MEC。
4.根据权利要求2所述的组合式微生物双源电化学污水处理器，其特征在于：
其中，微生物燃料电池中的电极的宽度与第一厌氧池的宽度之比为1:3-1:2，微生物燃料电池中正负极间的间距为第一厌氧池的池体长度的十二分之一，
微生物电解池中的电极的宽度与第一厌氧池的宽度之比为1:3-1:2，微生物电解池中阴阳极间的间距为第一厌氧池的池体长度的十分之一。
5.根据权利要求2所述的组合式微生物双源电化学污水处理器，其特征在于：
其中，第三反应池中的微生物电解池可外接弱电，当进水COD、氨氮的质量浓度分别大于1000mg/l和150mg/l时，根据水质状况通过所述PLC控制器接入一定强度范围的电能对污水进行处理。
6.根据权利要求1所述的组合式微生物双源电化学污水处理器，其特征在于：
其中，该组合式微生物双源电化学污水处理器将传统的曝气量与产水量的比值从常规的约15：1降低至约10：1。
7.一种使用如权利要求1所述的组合式微生物双源电化学污水处理器的污水处理方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一，在所述PLC半自动控制系统的控制下，开启所述进水泵，需要处理的污水从所述进水口流入所述第一厌氧池后，再依次流入所述第二缺氧池和所述第三好氧池，在所述第三好氧池中根据水质分配水量进入所述第四缺氧池和所述第五缺氧池，最后污水进入所述第六池，
步骤二，所述PLC半自动控制系统启动所述曝气系统控制器和所述搅拌器控制器，将所述第三好氧池和所第六池中的所述曝气设备打开，同时打开所述第一厌氧池、所述第二缺氧池、所述第三好氧池、所述第四缺氧池以及所述第五缺氧池中的所述搅拌器进行搅拌，
步骤三，所述组合式微生物双源电化学污水处理器中的所述MFC-MEC耦合生物处理系统以及所述碳材料膜反应器开始进行污水处理，
步骤四，根据处理后污水中的COD和氨氮指标，确定所述组合式微生物双源电化学污水处理器中的水力停留时间，所述PLC自动控制系统通过控制所述一级回流系统与所述二级回流系统的流量来控制所述组合式多级生物反应池中各池中的水位量，
步骤五，当所述出水口处的污水中的COD、氨氮的质量浓度分别大于1000mg/l和150mg/l时，所述PLC自动控制系统打开所述微生物电解池外接电源控制器根据水质状况在一定范围内自动调控电量，
步骤六，处理完的污水，经所述出水口排出，产生的污泥经所述排泥管排出。
说明书
微生物双源电化学污水反应器及对低C/N城市污水处理方法
技术领域
本发明涉及组合式微生物双源电化学污水反应器以及使用该组合式微生物双源电化学污水反应器对低C/N城市污水进行处理的方法。
背景技术
微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，MFC)是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。基本工作原理是：在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传递，并通过外电路传递到阴极形成电流，而质子通过质子交换膜传递到阴极，氧化剂在阴极得到电子被还原与质子结合成水。
微生物电解池(microbial electrolysis cell，MEC)是在微生物的作用下利用电化学技术将废水中的有机物化学能转化为氢能。由于其属于低能耗设备，微生物燃料电池(microbial fuel cell，MFC)所产生的电能就可以为其运行提供电源，并可通过适当通入外加电源进行调控。
膜-生物反应器(Membrane Bio-Reactor)是一种膜分离技术与生物处理技术相结合的污水处理技术，MBR主要利用膜分离设备对于大固体颗物的截留功能，因此系统内的活性污泥浓度较高，污泥龄较长，处理效果良好且同时反应器体积较小。
传统污水处理系统污水占地面积大，建筑成本高，污水处理效率低，MBR是以膜组件替代传统处理工艺中的二沉池，保持较高的污泥活性，降低污泥负荷量，减少土建用地，但传统的MBR法曝气量大，脱氮除磷效率不高。
发明内容
本发明是为了解决上述传统污水处理系统污水占地面积大，建筑成本高，污水处理效率低的问题，目的在于提供一种组合式微生物双源电化学污水反应器及对低C/N城市污水的处理方法。
本发明提供的组合式微生物双源电化学污水处理器，其特征在于包括：组合式多级生物反应池、三组MFC构成的双电源与三组MEC通过导线与二极管通过特定方法连接所构成的两组耦合生物处理系统，以及PLC半自动化控制装置。其中，组合式多级生物反应池包括第一厌氧池、第二缺氧池、第三好氧池、第四缺氧池、第五缺氧池以及第六池。耦合生物处理系统包括一号耦合生物处理系统和二号耦合生物处理系统。一号耦合生物处理系统包括第一厌氧池中的两组微生物燃料电池构成的一号电源、位于第三好氧池中的一号微生物电解池、位于第四缺氧池中的二号微生物电解池以及位于第六池中的碳材料膜反应器。二号耦合生物处理系统包括位于第二缺氧池中的二号微生物燃料电池组构成的二号电源、位于第三好氧池中的一号微生物电解池及位于第五缺氧池中的三号微生物电解池。一号电源中的第一组MFC产生的生物电能通过铜导线和二极管接入第四反应池中的MEC且并联第六反应池的膜反应器。第二组MFC产生的生物电能通过铜导线和二极管接入第三反应池中的MEC。二号电源的MFC产生的生物电能通过铜导线和二极管接入第三反应池的MEC且并联第五反应池的MEC。第一至第五反应池下设置搅拌设备，第三和第六反应池下设置曝气设备。反应池间分别通过连通口连接。反应器系统通过PLC控制。
本发明提供的组合式微生物双源电化学污水处理器，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，组合式多级生物反应池还包括用于污泥回流的一级回流系统和二级回流系统。一级回流系统包括连接第一厌氧池与第二缺氧池、第一厌氧池与第四缺氧池的污泥管道和设置该污泥管道中的污泥泵，二级回流系统包括连接第二缺氧池与第六池的污泥管道和设置该污泥管道中的污泥泵。
本发明提供的组合式微生物双源电化学污水处理器，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，微生物燃料电池中的电极的宽度与第一厌氧池的宽度之比为1:3-1:2，微生物燃料电池中正负极间的间距为第一厌氧池的池体长度的十二分之一。微生物电解池中的电极的宽度与第一厌氧池的宽度之比为1:3-1:2，微生物电解池中阴阳极间的间距为第一厌氧池的池体长度的十分之一。
本发明提供的组合式微生物双源电化学污水处理器，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，第三反应池中的微生物电解池可外接弱电，当进水COD、氨氮的质量浓度分别大于1000mg/l和150mg/l时，通过PLC控制器接入一定范围的电能对污水进行处理。
本发明提供的组合式微生物双源电化学污水处理器，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，膜生物反应器为孔径范围0.05-0.1微米的碳纤维膜制成的反应器。
本发明提供的组合式微生物双源电化学污水处理器，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，第一厌氧池还包括进水管及与其连接的进水泵，第六池还包括排泥管、出水管及与该出水管连接的出水泵。PLC半自动控制系统对反应器中所有的处理构件进行控制。
本发明提供的一种使用该组合式微生物双源电化学污水处理器的污水处理方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一，在PLC半自动控制系统的控制下，开启进水泵，需要处理的污水从进水口流入第一厌氧池后，再依次流入第二缺氧池和第三好氧池，在第三好氧池中根据水质分配水量进入第四缺氧池和第五缺氧池，最后污水进入第六池，
步骤二，PLC半自动控制系统启动曝气系统控制器和搅拌器控制器，将第三好氧池和所第六池中的曝气设备打开，同时打开第一厌氧池、第二缺氧池、第三好氧池、第四缺氧池以及第五缺氧池中的搅拌器进行搅拌，
步骤三，组合式微生物双源电化学污水处理器中的MFC-MEC耦合生物处理系统以及碳材料膜反应器开始进行污水处理，
步骤四，根据处理后污水中的COD和氨氮指标，确定组合式微生物双源电化学污水处理器中的水力停留时间，PLC自动控制系统通过控制一级回流系统与二级回流系统的流量来控制组合式多级生物反应池中各池中的水位量，
步骤五，当出水口处的污水中的COD、氨氮的质量浓度分别大于1000mg/l和150mg/l时，PLC自动控制系统打开第三反应池的微生物电解池外接电源控制器根据水质状况在一定范围内自动调控电量，
步骤六，处理完的污水，经出水口排出，产生的污泥经排泥管排出。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的组合式微生物双源电化学污水反应器中污水处理池采用了厌氧池、缺氧池、好氧池交替设置，微生物燃料电池双电源供电、微生物燃料电池分别与碳材料膜反应器和微生物电解池连接，以及采用该组合式微生物双源电化学污水反应器的污水处理方法，与传统污水处理系统相比占地面积小，建筑成本低，处理效率高。所以具体的，本发明与现有技术相比，具有以下的优点：
1.双电源(MFC)与传统传统微生物燃料电池相比产电量高，增强了微生物对污染物的利用率，提高了污水反应器的产电量，增强MEC的对水中污染物的处理能力。
2.厌氧池、缺氧池、好氧池的交替使用与传统MBR法相比，曝气耗损降低，将传统的曝气量与产水量的比值从常规的约15：1降低至约10：1，提高了污水脱氮除磷的处理效率。
3.生物弱电能良好地缓解碳材料膜反应器中的膜污染，具有一定自洁功能的膜生物反应器能够降低其运行以及维护成本，提高MBR的膜通量，实现清洁生产，减少更换成本。
4.组合式微生物双源电化学污水反应器的占地面积小，适用于处理各种土建成本高、土建难度高地区，例如村镇、工业园等，采用该组合式微生物双源电化学污水反应器进行污水处理是于传统污水处理系统向比较是一种免安装、免土建，造价低，污水处理效率高的污水处理方法。