[發明專利]一種太陽能驅動微生物電解制氫同步有機污水處理系統、控制方法及應用

在審

• 申請號: 202210557477.4
• 申請日: 2022-05-20
• 公開（公告）號: CN115094431A
• 公開（公告）日: 2022-09-23
• 發明（設計）人: 孫怡;季石宇;陳曉琳
• 申請（專利權）人: 中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司
• 主分類號: C25B1/02
• 分類號: C25B1/02;C25B1/50;C25B9/65;C25B9/70;C25B11/073;C02F3/00;C02F3/34
• 代理公司: 浙江杭州金通專利事務所有限公司 33100
• 代理人: 吉靖;劉曉春

1.一種太陽能驅動微生物電解制氫同步有機污水處理系統，其特征在于：所述太陽能驅動微生物電解制氫同步有機污水處理系統包括：太陽能發電單元、電化學電池單元、微生物電解池制氫單元、有機廢水供應單元和控制單元；

所述太陽能發電單元輸出端正負極分別與微生物電解池制氫單元的陽極和陰極相連接，且經斷路器形成導通或者斷開；

所述電化學電池單元的正負極分別與微生物電解池制氫單元的陽極和陰極相連接，且經斷路器形成導通或者斷開；

所述太陽能發電單元與電化學電池單元形成并聯；

所述微生物電解池制氫單元的產氫出口下游管路上依次布置氫氣清洗罐和儲氫罐；

所述有機廢水供應單元包括依次布置的污水池、污水過濾器、進水泵和凈水池，所述有機廢水供應單元經進水泵向微生物電解池制氫單元內提供含有機物的廢水。

2.根據權利要求1所述的太陽能驅動微生物電解制氫同步有機污水處理系統，其特征在于：微生物電解池制氫單元由K個微生物電解池模塊串聯形成，每個微生物電解池模塊包括陽極區和陰極區，所述陽極區和陰極區內分別布置陽極和陰極，所述陽極區和陰極區經隔膜分隔，所述微生物電解池模塊的底部具有進水口，所述微生物電解池模塊的頂部具有出水口和集氣管，所述集氣管與氫氣清洗罐的入口相連通。

3.根據權利要求2所述的太陽能驅動微生物電解制氫同步有機污水處理系統，其特征在于：微生物電解池模塊內陽極材料為不銹鋼網，陰極材料為泡沫鎳，隔膜材料為塑料濾網。

4.根據權利要求1所述的太陽能驅動微生物電解制氫同步有機污水處理系統，其特征在于：太陽能發電單元由M×N塊太陽能電池板形成太陽能電池板陣列；所述太陽能發電單元由N塊太陽能電池板串聯形成一串，M串太陽能電池串并聯形成。

5.根據權利要求1所述的太陽能驅動微生物電解制氫同步有機污水處理系統的控制方法，其特征在于：所述方法包括如下步驟：

S1、首先在微生物燃料電池模式下啟動電解池：

按1:1的體積比將有機廢水與含8.4 g/L NaHCO₃、0.31 g/LNH₄Cl、0.13 g/L KCl、12.5mL/L微量金屬溶液、5 mL/L微生物溶液和1 g/L乙酸鈉形成混合液；

將混合液加入微生物電解池中，在微生物電池閉合回路中接入1000 歐姆電阻，每24 h更換電解池的溶液，持續更換反應器溶液直到電阻兩端電壓大于500 mV；

S2、在模擬光伏波動性功率模式下制氫：

更換步驟S1中的陰極為新陰極，用蓋板和密封片將電解池與空氣隔離，使整個電解池溶液處于厭氧狀態；利用直流電源在電解池模塊陰、陽極兩端外加0.5~1.0 V電壓，電壓波形模擬在典型日照工況下太陽能光伏板的波動曲線，使電解池在20~30℃下運行實現制氫，監測電解池產氫速率穩定后，更換培養液為單一的有機廢水，每次換液時均用N₂/CO₂（體積比4:1）連續曝氣20 min，以去除系統中的氧氣，連續運行直到產氫速率穩定5周期后，微生物電解池運行完成；啟動完成后，采用變電阻法測定系統最優運行工況功率為W_優。

6.根據權利要求5所述的控制方法，其特征在于：控制單元用于監測控制太陽能發電單元的輸出功率，

當太陽能發電單元的輸出功率連續小于0.4*K*W_優超過8 h，調控電化學電池單元為微生物電解池制氫單元供電，維持其在40% W_優工況下運行；

當太陽能發電單元的輸出功率達到0.4*K*W_優，調控太陽能發電單元為微生物電解池制氫單元供電；

當太陽能發電單元的輸出達到1.5*K*W_優，調控太陽能發電單元為電化學電池單元充電供電。

7.根據權利要求1所述的太陽能驅動微生物電解制氫同步有機污水處理系統在城市生活污水或者啤酒廢水或者食品加工廢水或者養殖廢水處理中的應用。