粪便黑水处理装置的制作方法

本发明属于环境工程领域，涉及一种粪便黑水处理装置。

背景技术：

粪便黑水是指人类排泄物的混合污水，主要由粪便和尿液组成。其中不仅含有大量氮磷元素，也含有多种未完全消化的有机物，甚至还含有大量病原菌和寄生虫卵，处理不当则容易造成较严重的环境污染。

现有的粪便黑水处理技术主要包括沤肥、化粪池厌氧消化处理、混凝处理以及膜生物反应，这些处理技术中都需要应用微生物对其中的有机物进行分解，减少其中的污染物质后再进行后续处理。

一般情况下，由于不同微生物所能分解的物质种类不同，并且这些不同微生物的生长所需环境相差较大，因此同一个微生物分解容器(例如化粪池)内的微生物处理结束后，粪便黑水中仍残留较多有机物等污染物质，无法直接排放，必须采用后续处理使其无害化。

现有技术中出现了一种用于进行微生物分解的厌氧折流板反应器(ABR)，具有多个相互连通的隔室。从结构上看，这种厌氧反应器相当于多个升流式污泥反应床(UASB)的串联，由于不同隔室中的理化环境可以不相同，因此能够使生长环境不同的菌群(例如产酸菌群和产甲烷菌群)在不同隔室中同时生长，并且先后对污水进行处理，其处理能力较强。

但是，在上述厌氧折流板反应器中，微生物所进行的都是厌氧分解，能够对高浓度有机物进行处理并降低其中的有机物含量，但处理速度慢，也不能实现有机物的完全分解，其分解产物仍然需要一定的后续处理。

现有技术中还有其他利用微生物对有机物进行分解的技术，例如，微生物燃料电池(MFC)是利用微生物作为催化剂，电极为微生物附着载体，进行氧化分解废水中有机物，同时产生电能而进行能量回收利用；微生物电解池(MEC)是利用外加电压对微生物进行电刺激，加快其代谢作用，使有机物快速降解的装置。这两类装置都能够对有机物进行更加彻底的分解，其中MEC还能够快速地完成有机物分解过程。但是，MFC所产生的电能通常较低，难以作为一般供电源应用，容易造成电能浪费；MEC则需要持续地外加电压，需要消耗电能。另外，这两种装置对污水来源也有一定要求，若其中有机物含量过高、pH范围不合适，则难以进行有效的处理。

技术实现要素：

为解决上述问题，提供一种高效、快速并且能彻底分解粪便黑水中有机物的装置，本发明采用了如下技术方案：

本发明提供了一种粪便黑水处理装置，其特征在于，包括：厌氧折流板反应室(ABR)，容纳有厌氧微生物，具有用隔板隔开并且依次连通的多个隔室；微生物电解室(MEC)，具有用阴离子交换膜隔开的微生物电解阳极室和微生物电解阴极室，微生物电解阳极室及微生物电解阴极室分别与相邻的两个隔室连通并且分别接收隔室流出的液体；微生物发电室(MFC)，具有用阴离子交换膜隔开的MFC阳极室和MFC阴极室，MFC阳极室与另一个隔室连通并且接收该隔室流出的液体，MFC阴极室分别与MEC阳极室、MEC阴极室以及MFC阳极室连通，接收流出的液体并通过设置在MFC阴极室上的出水口将处理后的水排出，其中，MFC室的电路与MEC室的电路通过二极管连接，使MFC室所产生的电流单向流向MEC室，提供MEC室中所需要的电能。

本发明提供的粪便黑水处理装置，还可以具有如下技术特征：其中，隔室中的任意两个内分别设置有厌氧反应室电极，MFC室的电路还通过导线与厌氧反应室电极连通，使MFC室所产生的电流部分流向厌氧折流板反应室，对厌氧折流板反应室内的厌氧微生物产生电刺激。

本发明提供的粪便黑水处理装置，还可以具有如下技术特征：其中，隔室的数量为四个，其容积比为1:1:1:0.8。

本发明提供的粪便黑水处理装置，还可以具有如下技术特征：其中，四个隔室与MEC阳极室、MEC阴极室、MFC阳极室以及MFC阴极室的容积比为1:1:1:0.8:1:1:1:1。

本发明提供的粪便黑水处理装置，还可以具有如下技术特征：其中，MEC阴极电极及MFC阴极电极均为致密铁丝网，MEC阳极电极及MFC阳极电极均为铁氧化物涂层石墨毡。

本发明提供的粪便黑水处理装置，还可以具有如下技术特征：其中，致密铁丝网的长度为10cm，宽度为8cm，厚度为0.5cm，其中铁丝网孔径小于0.5cm；石墨毡的长度为10cm，宽度为8cm，厚度为1cm。

本发明提供的粪便黑水处理装置，还可以具有如下技术特征：其中，隔板上设置有45°倒角。

发明作用与效果

根据本发明所提供的粪便黑水处理装置，由于MEC室及MFC室分别与ABR室的隔室相连通，能够接收经过ABR室进行了一定处理的污水并进行进一步分解处理，因此能够快速地对粪便黑水进行较为彻底的处理。另外，MFC室所产生的电流能够通过二极管单向流向MEC室，提供MEC室中所需的电能，因此本发明的处理装置能够原位利用MFC室所产生的微生物弱电，无需额外附加电压刺激装置，节省电能。在本发明的一种结构中，MFC室所产生的电流还部分流向了ABR室，对其中的厌氧微生物产生了一定电刺激，促进这些厌氧微生物生长，进一步提高了厌氧微生物的分解效率。

附图说明

图1是本发明实施例的粪便黑水处理装置结构示意图；

图2是本发明实施例的粪便黑水处理装置的流向示意图；

图3是本发明实施例的粪便黑水处理装置电路结构示意图；

图4是本发明实施例的粪便黑水处理装置处理后的出水COD图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例来说明本发明的具体实施方式。

<实施例>

图1是本发明实施例的粪便黑水处理装置结构示意图。

如图1所示，粪便黑水处理装置100包括厌氧折流板反应室(即ABR室)101、微生物电解室(即MEC室)102、微生物发电室(即MFC室)103以及恒温机构104。

图2是本发明实施例的粪便黑水处理装置的流向示意图。

如图1及图2所示，本实施例中，ABR室101包括四个隔室，分别为第一隔室1、第二隔室2、第三隔室3及第四隔室4。四个隔室之间均用具有45°倒角的隔板隔开，并且依次相互连通。ABR室101的上方还设置有集气管23，具有四根支管，该四根支管分别从各个隔室的顶部伸入隔室，收集各个隔室中微生物分解所产生的气体，并通过集气管23输送至集气袋24。第一隔室1的侧壁上设置有进水口，该进水口通过水管与一个输入泵16连通，用于将待处理的粪便黑水输入第一隔室1中。

MEC室102包括用质子交换膜隔开的MEC阴极室7和MEC阳极室8。MEC阳极室8与第四隔室4连通，接收第四隔室流出的液体；MEC阴极室7与第三隔室3连通，接收第三隔室3流出的液体。

MFC室103位于MEC室102的一侧，包括用质子交换膜隔开的MFC阳极室6和MFC阴极室5。MFC阳极室6与第二隔室2连通，接收第二隔室2流出的液体；MFC阴极室5分别与MFC阳极室6、MEC阴极室7以及MEC阳极室8连通，接收这三个反应室中流出的液体，并从出口将处理后的水排出。MEC阳极室8和MFC阳极室6相邻但并不连通，中间用一块隔板25完全隔开。

MEC阴极室7中设置有第一阴极电极22，MEC阳极室8中设置有第一阳极电极21，MFC阴极室5中设置有第二阴极电极19，MFC阳极室6中设置有第二阳极电极20。第一阳极电极21和第二阳极电极20均为铁氧化物涂层石墨毡，其长度为10cm，宽度为8cm，厚度为1cm；第一阴极电极22和第二阴极电极19均为孔径小于0.5mm的致密铁丝网，其长度为10cm，宽度为8cm，厚度为0.5cm。

其中，铁丝网在使用前先采用5％的硫酸反复清洗3-4次；铁氧化物涂层石墨毡在使用前经丙酮浸泡一个小时，再使用纯水进行冲洗至中性。另外，阴离子交换膜在使用前先用饱和的氯化钠溶液浸泡24小时后，再用纯水冲洗5-8次。

图3是本发明实施例的粪便黑水处理装置电路结构示意图。

如图1及图3所示，MFC室103的电路与MEC室102的电路通过一个二极管18连接，使MFC室103所产生的电流单向流向MEC室102，提供MEC室102中所需要的电能。

另外，如图3所示，ABR室101还具有两个厌氧反应室电极26，分别设置在第一隔室1和第二隔室4内。该两个厌氧反应室电极26均为与第一阳极电极22、第二阳极电极23尺寸及预处理方法相同的铁氧化物涂层石墨毡。

具体电路如图3所示，第一阴极电极22和第二阴极电极19直接通过导线连接，第一阳极电极21和第二阳极电极20通过二极管18连接，使电流只能从第二阳极电极20流向第一阳极电极21。第二阴极电极19还通过一个电阻17与第二阳极电极20相连接，形成发电电路。另外，第二阴极电极19、第二阳极电极20还分别通过导线与两个厌氧反应室电极26连接，使一部分电流流至ABR室101内，形成一定的电刺激，促进其中的厌氧微生物生长。

在本实施例中，电极之间的连接均通过直径为0.5cm的钛丝来实现。另外，如图1所示，各个电极还分别与数据采集器14相连接，数据采集器14收集电路中的电压及电流数据，并将这些数据传送给电脑进行处理。

恒温机构104包括恒温水浴锅10、提升泵15和散热片11。散热片11设置在ABR室101的外壁上，内部具有蛇形分布的水管，这些水管的进水口与提升泵15连通、出水口与恒温水浴锅10连通。提升泵15将恒温水浴锅10中的热水输送至散热片11内以后，热水散发热量使ABR室101中始终保持一定温度。第一隔室1中还设置有温度计12，用于实时监测其中的温度。

本实施例中，各反应室的尺寸如下：粪便黑水处理装置100的整体尺寸为640cm×320cm×220cm；ABR室101的整体尺寸为640cm×180cm×220cm，其有效容积为28L，第一隔室1、第二隔室2、第三隔室3、第四隔室4、MEC阳极室8、MEC阴极室7、MFC阳极室6以及MFC阴极室5之间的容积比为1:1:1:0.8:1:1:1:1。第一隔室1、第二隔室2、第三隔室3、MFC阴极室5、MFC阳极室6、MEC阴极室7以及MEC阳极室8的有效容积均为4.8L，第四隔室4的有效容积为3.84L。

以下结合附图说明本实施例的粪便黑水处理装置100的工作过程。

如图1及图2所示，将输入泵16打开，待处理的粪便黑水通过输入泵16被泵入第一隔室1，随后流入第二隔室2。在第二隔室2中的液体一部分流向MFC阳极室6，另一部分流向第三隔室3；第三隔室3中的液体一部分流向MEC阳极室7，另一部分流向第四隔室4；第四隔室4的液体流向MEC阴极室8。MEC阴极室8、MEC阳极室7以及MFC阳极室6中的液体最终流入MFC阴极室5，最后从设置在MFC阴极室5侧壁上的出口流出。

上述过程中，微生物在各个反应室中生长所需的温度由恒温机构104来保持。本实施例中，恒温水浴锅10的温度设定为35℃。另外，粪便黑水在装置中的HRT(即水力停留时间)通过调节输入泵16的流速来进行调整。

采用本实施例的粪便黑水处理装置100分别对模拟粪便黑水和实际粪便黑水进行处理。其中，模拟粪便黑水采用自来水配制，COD(即化学需氧量)为1500mg/L，NH₃-N为120mg/L，PO₄³-P为15mg/L，pH为7.2；实际粪便黑水来源为上海杨浦国顺东路25号学生宿舍区公共厕所的集水池，其COD为729mg/L，NH₃-N为79mg/L，PO₄³-P为12mg/L，pH为7.6。

图4是本发明实施例的粪便黑水处理装置处理后的出水COD图，图4中所示出的为对模拟粪便黑水的处理结果。

如图4所示，在HRT为48小时的条件下，本实施例的粪便黑水装置100对模拟粪便黑水的处理效果较好，其出水的平均COD为45mg/L，去除率为97％；NH₃-N为34mg/L，去除率为71.6％；PO₄³-P为6mg/L，去除率为60％。因此，对水的处理效果较好。MFC室103的电路电压持续稳定在0.5-0.65V，产电效果良好。

另外，在HRT为48小时的条件下，本实施例的粪便黑水处理装置100对实际粪便黑水的处理结果为：出水的平均COD为27mg/L，去除率为96.3％；NH₃-N为23mg/L，去除率为70.8％；PO₄³-P为4.3mg/L，去除率为64.2％。因此，对水的处理结果与模拟粪便黑水相近，同样达到了较好的处理效果。

实施例作用与效果

根据本实施例所提供的粪便黑水处理装置，由于MEC室及MFC室分别与ABR室的隔室相连通，能够接收经过厌氧折流反应室进行了一定处理的污水并进行进一步分解处理，因此能够快速地对粪便黑水进行较为彻底的处理。在HRT为48小时的条件下，本实施例的处理装置对模拟粪便黑水和实际粪便黑水都能达到良好的处理效果，其有机物和氮磷元素的去除率都较为理想。

另外，MFC室所产生一部分微生物弱电回到ABR刺激厌氧微生物生长，提高厌氧降解效率，一部分微生物弱电用于组成MEC深度削减污染物，因此本实施例的处理装置无需额外附加电压刺激装置，并且其中厌氧微生物的降解效率较高。