申请日2017.10.12
公开(公告)日2018.02.23
IPC分类号H02J7/34; H02J7/00; H01M8/16
摘要
本发明公开了一种应用于AA/O污水处理工艺的微生物燃料电池供电系统，涉及水处理工艺技术领域。该供电系统通过在厌氧池与缺氧池安装阳极和阴极电极堆构建无膜连续流AA/O‑MFC反应器，通过阴阳电极之间的电子传递提高了AA/O工艺的脱氮效率，解决了传统的AA/O污水处理工艺存在内碳源不足，脱氮效率较低的问题，同时，通过采用电能控制装置对微生物燃料电池产生的弱电能进行采集和存储，实现了对微弱电能的直接利用，实现了其从实验室阶段向实际工程阶段的应用。
权利要求书
1.一种应用于AA/O污水处理工艺的微生物燃料电池供电系统，其特征在于，包括：安装于AA/O反应器的微生物燃料电池和电能控制装置，所述电能控制装置包括第一电感式直流升压转换器、超级电容和第二电感式直流升压转换器，所述第一电感式直流升压转换器的输入端与所述微生物燃料电池连接，所述第一电感式直流升压转换器的输出端通过所述超级电容与所述第二电感式直流升压转换器的输入端连接，所述第二电感式直流升压转换器的输出端与外加电子设备连接。
2.根据权利要求1所述的应用于AA/O污水处理工艺的微生物燃料电池供电系统，其特征在于，所述微生物燃料电池采用连续流无膜构型，包括阳极电极堆和阴极电极堆，所述阳极电极堆和阴极电极堆均包括碳刷和电极堆支架，所述碳刷垂直于水流方向固定于所述电极堆支架上，所述碳刷的刷头浸没在水面以下，所述碳刷的柄部固定于所述电极堆支架的上方，所述碳刷的柄部分别与导线相连接，并通过导线与所述电能控制装置的正负级相连接;
所述阴极电极堆和所述阳极电极堆分别固定于AA/O反应器的缺氧池和厌氧池，所述缺氧池作为MFC的阴极室，所述厌氧池作为MFC的阳极室。
3.根据权利要求2所述的应用于AA/O污水处理工艺的微生物燃料电池供电系统，其特征在于，所述碳刷由双股钛丝将碳纤维拧紧在碳刷支架上制成，所述碳纤维价格相对低廉，导电性能良好且易于微生物附着生长;所述电极堆支架采用不锈钢框架。
4.根据权利要求2所述的应用于AA/O污水处理工艺的微生物燃料电池供电系统，其特征在于，所述阳极电极堆的尺寸为500mm×500mm×730mm，所述阴极电极堆的尺寸为500mm×500mm×730mm。
5.根据权利要求4所述的应用于AA/O污水处理工艺的微生物燃料电池供电系统，其特征在于，每个所述阴极电极堆和所述阳极电极堆均设置有20根所述碳刷，所述碳刷长度为500mm，直径50mm，所述碳刷之间通过钛丝相连接。
6.根据权利要求4所述的应用于AA/O污水处理工艺的微生物燃料电池供电系统，其特征在于，所述厌氧池的上方设有密封盖，所述密封盖上设置有基于液位继电器的自动开关的污水进水口。
7.根据权利要求1所述的应用于AA/O污水处理工艺的微生物燃料电池供电系统，其特征在于，所述外加电子设备包括3.3V的温度传感器或12V、5W的灯泡。
8.根据权利要求1所述的应用于AA/O污水处理工艺的微生物燃料电池供电系统，其特征在于，所述第一电感式直流升压转换器采用LTC3108芯片，所述第二电感式直流升压转换器采用LTC3122芯片。
9.根据权利要求8所述的应用于AA/O污水处理工艺的微生物燃料电池供电系统，其特征在于，所述电能控制装置采用如下方法实现电能的采集和释放：当MFC的电压大于100mV时，所述LTC3108芯片输出控制信号，所述电能控制装置自动启动，当正常启动后，MFC的电压在500mV至20mV之间时，所述LTC3108芯片正常为所述超级电容充电，采集MFC的微弱电能，储存于所述超级电容中，当所述超级电容的电量存储到一定程度时，所述LTC3108芯片输出控制信号，使场效应管开关闭合，所述超级电容开始放电，经过所述第二电感式直流升压转换器给所述外加电子设备供电。
说明书
应用于AA/O污水处理工艺的微生物燃料电池供电系统
技术领域
本发明涉及水处理工艺技术领域，尤其涉及一种应用于AA/O污水处理工艺的微生物燃料电池供电系统。
背景技术
能源问题和环境问题已成为当今世界关注的核心问题。
厌氧-缺氧-好氧生物处理工艺(简称AA/O)，是一种常用的污水处理工艺，具有出水水质好，总水力停留时间少于其他类工艺，不易发生污泥膨胀，运行费用低，脱氮除磷效率较高等优点，广泛应用于市政污水处理领域。尽管如此，AA/O工艺的脱氮除磷效率受污水中碳源的影响，难有进一步提高，为进一步提高脱氮除磷效率，则需要额外的投加碳源，从而增加污水处理成本。
微生物燃料电池(Microbial fuel cell，MFC)以微生物为催化剂将污染物蕴含的化学能直接转化为电能，可实现同步治污产电。利用MFC处理污染物并发电，是其在环境领域最具应用潜力的方向。因此MFC与废水处理、污泥处置、环境修复、海水淡化等各种环境治理技术耦合的治污产电系统近年来也成了国内外的研究热点。通过在处理有机废水的污水处理工艺中嵌入MFC电极，利用微生物降解有机废物的同时产生电能并加以利用。现有的污水处理厂要消耗不少的能量，包括曝气和处理污泥，而微生物燃料电池的反应是一个厌氧的过程，通过将MFC嵌入AA/O工艺中的厌氧、缺氧池，一方面可以通过MFC阴极和阳极之间的电子传递作用，减少碳源的投加而提高脱氮除磷效率，同时还可以产生电能，实现同步治污产电，这也就减少了污水处理的成本。这为解决我国能源短缺和环境污染问题提供了一条新的技术途径。
目前，MFC构型分为单室、双室两种构型，为了加强质子的传导效率减少MFC的内阻，通过将MFC的阴极和阳极之间用质子膜进行分隔，这可以提高MFC的功率密度，但也增加了MFC的实际规模化应用的难度。在实际污水处理系统中，如采用有隔膜的MFC构型，其成本非常高昂，因此，很多学者尝试将MFC技术与现有的污水处理技术结合。分体式的连续流无膜MFC的电池不使用膜结构，而是借助液体从阳极室到阴极室的定向流动实现了质子转运，从而产生电能。该结构彻底避免了隔膜材料的使用，大幅度降低MFC成本，为将MFC直接应用于在污水处理厂常见处理工艺提供了可能性。
虽然许多学者对MFC开展了大量有意义的研究，开发出了结构等更加合理的MFC，电池的最大输出功率密度最高达到了7.2×103mW/m2，MFC可获得的最大理论电压为1.1V(阳极最大理论电压为-0.3V，阴极最大理论电压为+0.8V)。但在实际情况下，MFC总是偏离平衡状态而产生极化现象，在电子传递过程中，能量损失主要有活化损失，扩散损失和欧姆损失，使MFC实际电压普遍小于理论电压，最大的实际电压在0.7-0.8V之间。这种输出电压并不能直接对商业的电子设备进行直接供电，所以，目前MFC的研究还停留在实验室水平，无法用于实际的应用中。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用于AA/O污水处理工艺的微生物燃料电池供电系统，从而解决现有技术中存在的前述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种应用于AA/O污水处理工艺的微生物燃料电池供电系统，包括：安装于AA/O反应器的微生物燃料电池和电能控制装置，所述电能控制装置包括第一电感式直流升压转换器、超级电容和第二电感式直流升压转换器，所述第一电感式直流升压转换器的输入端与所述微生物燃料电池连接，所述第一电感式直流升压转换器的输出端通过所述超级电容与所述第二电感式直流升压转换器的输入端连接，所述第二电感式直流升压转换器的输出端与外加电子设备连接。
优选地，所述微生物燃料电池采用连续流无膜构型，包括阳极电极堆和阴极电极堆，所述阳极电极堆和阴极电极堆均包括碳刷和电极堆支架，所述碳刷垂直于水流方向固定于所述电极堆支架上，所述碳刷的刷头浸没在水面以下，所述碳刷的柄部固定于所述电极堆支架的上方，所述碳刷的柄部分别与导线相连接，并通过导线与所述电能控制装置的正负级相连接;
所述阴极电极堆和所述阳极电极堆分别固定于AA/O反应器的缺氧池和厌氧池，所述缺氧池作为MFC的阴极室，所述厌氧池作为MFC的阳极室。
优选地，所述碳刷由双股钛丝将碳纤维拧紧在碳刷支架上制成，所述碳纤维价格相对低廉，导电性能良好且易于微生物附着生长;所述电极堆支架采用不锈钢框架。
优选地，所述阳极电极堆的尺寸为500mm×500mm×730mm，所述阴极电极堆的尺寸为500mm×500mm×730mm。
优选地，每个所述阴极电极堆和所述阳极电极堆均设置有20根所述碳刷，所述碳刷长度为500mm，直径50mm，所述碳刷之间通过钛丝相连接。
优选地，所述厌氧池的上方设有密封盖，所述密封盖上设置有基于液位继电器的自动开关的污水进水口。
优选地，所述外加电子设备包括3.3V的温度传感器或12V、5W的灯泡。
优选地，所述第一电感式直流升压转换器采用LTC3108芯片，所述第二电感式直流升压转换器采用LTC3122芯片。
优选地，所述电能控制装置采用如下方法实现电能的采集和释放：当MFC的电压大于100mV时，所述LTC3108芯片输出控制信号，所述电能控制装置自动启动，当正常启动后，MFC的电压在500mV至20mV之间时，所述LTC3108芯片正常为所述超级电容充电，采集MFC的微弱电能，储存于所述超级电容中，当所述超级电容的电量存储到一定程度时，所述LTC3108芯片输出控制信号，使场效应管开关闭合，所述超级电容开始放电，经过所述第二电感式直流升压转换器给所述外加电子设备供电。
本发明的有益效果是：本发明实施例提供的一种应用于AA/O污水处理工艺的微生物燃料电池供电系统，通过在厌氧池与缺氧池安装阳极和阴极电极堆构建无膜连续流AA/O-MFC反应器，通过阴阳电极之间的电子传递提高了AA/O工艺的脱氮效率，解决了传统的AA/O污水处理工艺存在内碳源不足，脱氮效率较低的问题，同时，通过采用电能控制装置对微生物燃料电池产生的弱电能进行采集和存储，实现了对微弱电能的直接利用，实现了其从实验室阶段向实际工程阶段的应用。