[發(fā)明專利]膜過濾耦合單室斜板多陽極剩余污泥微生物燃料電池裝置

有效

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• 申請日: 2016-03-01
• 公開（公告）號: CN105609847B
• 公開（公告）日: 2018-02-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張捍民;笪宗揚(yáng);王月竹;楊鳳林
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號: H01M8/16
• 分類號: H01M8/16;C02F9/14
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心21200
• 代理人: 溫福雪,李寶元

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于環(huán)境工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及剩余污泥處理及中水回用技術(shù)，特別涉及應(yīng)用單室斜板多陽極微生物燃料電池同步實(shí)現(xiàn)污泥減量化和能源回收，并完成膜過濾的剩余污泥及污水處理方法。

背景技術(shù)

目前，世界上超過90％的城市污水處理廠釆用活性污泥法或者生物膜法，在處理過程中產(chǎn)生大量的剩余污泥。現(xiàn)有污水處理廠處理污泥常用做法是經(jīng)濃縮、脫水和穩(wěn)定化后再用于填海、焚燒或土地利用等。但污水處理廠污泥量大、含水率高、成分復(fù)雜且易腐爛，污泥處理過程能耗高、投入大，導(dǎo)致大量未經(jīng)處理的污泥任意堆放或簡單填埋，不但對環(huán)境造成污染，還浪費(fèi)污泥中的有用資源。剩余污泥有機(jī)物含量高，是一種潛在的生物質(zhì)能源，可采用厭氧消化工藝從污泥中提取生物質(zhì)能產(chǎn)生沼氣后用于發(fā)電。但消化池需要控制溫度范圍在30-35℃，能耗較高，而且沼氣轉(zhuǎn)化成電能過程中存在較高的能量損失。所以，在常溫常壓條件下，直接從污泥中利用有機(jī)質(zhì)產(chǎn)電，將是一種更為有效的能源利用方式。

剩余污泥微生物燃料電池(SMFC)能夠直接從剩余污泥中提取生物質(zhì)能，單室運(yùn)行，無需質(zhì)子交換膜，在產(chǎn)生電能的同時(shí)完成污泥減量。SMFC的陽極通常浸沒于在反應(yīng)器底部的污泥中，陰極置于反應(yīng)器上部上清液中。產(chǎn)電微生物將氧化沉積物中的有機(jī)物所產(chǎn)生電子傳遞到陽極，電子通過外電路到達(dá)陰極，與陰極區(qū)溶解氧和從陽極區(qū)傳遞到陰極的質(zhì)子結(jié)合生成水，從而將有機(jī)污染物去除和能量回收同步完成。因此若將剩余污泥微生物燃料電池與沉淀池結(jié)合，則可以在常溫常壓條件下，減少剩余污泥產(chǎn)量并產(chǎn)生電能。

SMFC的陽極通常置于底部，但在沉淀池的中部也有豐富的生物質(zhì)能。同時(shí)沉淀池的主要功能是在污水處理廠生物處理單元后用于固液分離，斜板沉淀池利用淺池理論可以提高固液分離效率和效能。如果利用沉淀池底部厭氧環(huán)境，依據(jù)剩余污泥微生物燃料電池產(chǎn)電原理對沉淀池進(jìn)行改造，并根據(jù)淺池理論在沉淀池設(shè)置斜板陽極，則可同步完成污泥固液分離、減量化并同時(shí)利用沉淀池底部及中部有機(jī)質(zhì)產(chǎn)能，可望大幅度降低剩余污泥處理復(fù)雜性，減少污水處理廠占地面積、投資以及運(yùn)行成本。

二沉池出水水質(zhì)通常無法滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)一級A標(biāo)準(zhǔn)，城市污水處理廠需另設(shè)深度處理工藝。膜過濾技術(shù)可提供可靠優(yōu)良出水水質(zhì)，但膜污染會(huì)降低產(chǎn)水效率，增加操作復(fù)雜度。在由二沉池改造的剩余污泥微生物燃料電池陰極設(shè)置膜組件過濾出水，將不僅可提高出水水質(zhì)，還可以利用陰極排斥荷負(fù)電活性污泥，可以有效減輕膜污染，延長膜組件使用壽命，減少維護(hù)費(fèi)用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的是設(shè)計(jì)膜分離耦合單室斜板多陽極微生物燃料電池，同步完成污水處理廠污泥固液分離、減量化并產(chǎn)能，同時(shí)提高沉淀池出水水質(zhì)。在沉淀池底部污泥中設(shè)置碳?xì)株枠O，利用污泥中有機(jī)質(zhì)產(chǎn)電；沉淀池中部設(shè)置斜板陽極，提高沉淀效率的同時(shí)，利用上清液有機(jī)質(zhì)產(chǎn)電。在沉淀池液面設(shè)置陰極，陰極附近安置膜過濾組件，提高沉淀池出水水質(zhì)，且借助陰極對于荷負(fù)電污染物的排斥作用，以及斜板的阻擋作用，能夠阻止部分污泥顆粒上浮，都可以減輕膜污染。

斜板多陽極微生物燃料電池是由淺池理論設(shè)計(jì)的斜板沉淀池進(jìn)行升級改造的。斜板沉淀池可顯著提高沉淀效率，板距為30-50mm的上向流斜板沉淀池，其理論效率可達(dá)平流沉淀池的7-10倍，因?yàn)樾卑逯g的水流為層流狀態(tài)，即水力半徑小，更利于沉淀分離。本發(fā)明中的斜板陽極不僅可以增加沉淀效率，還能夠增加陽極面積，利用沉淀池中部豐富有機(jī)質(zhì)，提高產(chǎn)電效能并有效阻止污泥上浮，提高出水水質(zhì)。同時(shí)斜板陽極利用板面沉積物產(chǎn)電，還同步解決斜板表面積泥問題，避免斜板間堵塞阻礙水流和質(zhì)子傳遞。

沉淀池出水水質(zhì)已經(jīng)無法滿足越來越嚴(yán)格的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。膜生物反應(yīng)器借助膜過濾可以獲得可靠的出水水質(zhì)，但膜組件置于活性污泥中，膜污染嚴(yán)重，需要頻繁的反沖洗或者曝氣沖刷，能耗較高。本申請中，膜組件安置在靠近陰極位置，借助陰極的負(fù)電性排斥荷負(fù)電活性污泥，可有效減輕膜污染。同時(shí)在沉淀池中安裝的斜板陽極可以有效阻擋污泥顆粒上浮，也可以減輕膜污染，因此在不增加能耗的條件下，有望獲得穩(wěn)定可靠的出水水質(zhì)。

本發(fā)明的技術(shù)方案：

一種膜過濾耦合單室斜板多陽極剩余污泥微生物燃料電池裝置，膜過濾耦合單室斜板多陽極剩余污泥微生物燃料電池裝置底部為厭氧區(qū)污泥2，碳?xì)株枠O3置于厭氧區(qū)污泥2中，中部放置斜板陽極4，碳?xì)株枠O3和斜板陽極4通過導(dǎo)線相連構(gòu)成多陽極；碳?xì)株帢O9懸浮在上清液中，上層暴露在空氣中作為空氣陰極；陽極和空氣陰極通過外接電線7相連并且連接一個(gè)外電阻6，中空纖維膜組件10放置在上清液中，靠近陰極位置。