专利名称：活性污泥法工艺同步产电方法
技术领域：
本发明涉及一种活性污泥法工艺同步产电方法，尤其适用于分散式生活污水的处理，属于环境保护中污水处理技术领域。
背景技术：
随着我国工农业的快速发展和城市化进程的不断加快，向水环境中排放的工业废水和城市废水量不断增加。水污染的日益严重，不仅影响人民的生活质量和身心健康，还严重制约着我国经济社会的可持续发展。活性污泥法(Activated Sludge Process)是以活性污泥为主体的废水生物处理技术，在人工充氧条件下，培养驯化微生物群体，这种具有活性的微生物絮凝体被称为“活性污泥”，利用活性污泥的吸附和生物氧化作用，以分解去除废水中溶解的和胶体的有机物质，使废水得以净化。活性污泥法曝气池中的活性污泥生物絮凝体，由大量繁殖的微生物群体所构成，可将水中有机物氧化分解成无机物并合成新的细胞，在二次沉淀池中易于沉淀和分离。普通活性污泥法工艺中，原污水从曝气池首端进入池内，由二次沉淀池回流的回流污泥也同步注入曝气池。在曝气池前端，活性污泥同刚进入的有机物浓度相对较高的废水相接触，即供给活性污泥微生物生长一般处于生长曲线的对数生长期或稳定期。由于普通活性污泥法曝气时间比较长，当活性污泥继续向前推进曝气池末端时，废水中有机物已几乎被耗尽，污泥微生物进入内源代谢期，其活动能力也相应减弱，因此在沉淀池中容易沉淀，出水中残余的有机物浓度较低。处于饥饿态的污泥回流入曝气池后又能够强烈吸附和氧化有机物。曝气池首端有机污染负荷高，耗氧速率也高，因而沿反应器池长形成了首端高末端低的有机物浓度梯度和首端低末端高的溶解氧浓度梯度。
序批式反应器(Sequencing Batch Reactor, SBR)是废水活性污泥法生化处理系统的先驱，早在1914年Ardern和Lockett首次提出活性污泥法的概念时采用的操作方式就是间歇式的。只是受当时监测与自动控制技术水平的限制，这种间歇式操作方式只适用于小型污水处理。近年来，随着监控与测试技术的飞速发展，SBR工艺引起广泛重视，在国内外得到广泛发展。在SBR中，曝气池和沉淀池合二为一，即生化反应与泥水分离在同一反应池中进行，废水分批次进入反应池，然后按顺序进行反应、沉淀、排上清液和闲置阶段，完成一个运行操作周期。由于在反应过程中反应器不进水，因而在反应期间内存在有机物浓度梯度。如同普通推流式活性污泥法中沿池长存在有机物浓度梯度一样，所不同的是SBR的这种梯度是按时间序列变化的，而普通推流式活性污泥法是按废水在反应器中流经位置变化的。微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，MFC)利用微生物的催化作用将废弃物中的碳水化合物的化学能转化为电能。该技术在有效降解废弃物中有机物的同时能产生可供人们直接利用的能源，符合清洁生产和可持续发展的要求，因而日益成为国内外研究的热点。尽管国内外有关微生物燃料电池的研究较多，但大多是以厌氧污泥、海洋底泥等作为底物，且主要集中在电池构型、产电微生物和电极材料等方面，而关于废水处理、生物修复等方面的研究较少，国内外至今未发现在污水处理厂中进行同步产电的文献报道。且以往研究均认为微生物燃料电池阳极必须处于厌氧环境中，以便为产电微生物催化降解有机物提供所需的厌氧条件，而关于好氧阳极和以活性污泥代替产电微生物氧化分解有机物的报道史无前例。
发明内容
为了克服目前污水处理存在的处理成本高和经济效益低等难题，本发明提供一种活性污泥法工艺同步产电方法，该方法可在污水活性污泥处理系统中实现同步产电，输出功率高，且装置简便，操作简单。本发明所要解决的技术问题是在活性污泥法工艺中实现同步产电。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:在活性污泥反应器中首、末端分别安装阳电极和阴电极，阳极和阴极由导线连接；向反应器中接种活性污泥，注入待处理的污水，利用活性污泥微生物氧化分解污水中的有机物产生的电子和质子，产生的电子由阳极经外电路传递到阴极，从而产生外电流；产生的质子沿水流方向到达阴极并与电子、氧气及硝态氮等发生还原反应，由此完成反应器内部电荷的传递。下面进一步详述本发明。本发明提供了一种活性污泥法工艺同步产电方法，其特征在于，包括以下步骤:(a)安装设备，在活性污泥反应器首、末端分别安装阳电极和阴电极；(b)接种活性污泥并注入待处理的污水，在活性污泥微生物的作用下氧化去除废水中的污染物，并产生电子和质子；(C)产 生的电子传递到阳极，并经外电路传递到阴极，外电路电流方向为从阴极流向阳极；(d)产生的质子沿水流方向传递到阴极，内电路电流方向为从阳极流向阴极；( e)外电路的电子到达阴极并与氧气等电子受体结合，发生还原反应，完成产电过程。所述污水可生化处理，且COD ^ 200。所述阳极以石墨为电极材料，阴极以钛基二氧化铅为电极材料。所述活性污泥反应器内为好氧环境，阳极和阴极均处于好氧环境中。本发明的有益效果:本发明所述方法以好氧阳极代替厌氧阳极，利用活性污泥微生物代替产电微生物氧化分解污水中的有机物提供质子和电子，从而在污水处理厂活性污泥法工艺中实现同步产电，不仅能有效防止污水对水体和环境人类健康的危害，还可回收利用其中的能源，提高污水处理厂经济效益，实现净水产能双效合一；本发明所述产电装置结构简单，易操作，输出效率高，可实现自动持续产电，可在污水处理厂中广泛推广应用。
图1为本发明所述普通活性污泥法工艺同步产电的原理示意图。图中:1-活性污泥反应器；2_曝气头；3_空气压缩机；4_空气管；5-阳极；6-电阻；7-导线；8_阴极。图2为普通活性污泥法工艺持续运行60天同步产电电压与输出功率变化情况图3为本发明所述序批式活性污泥法工艺同步产电的原理示意图。图中:1-活性污泥反应器；2_曝气头；3_阳极；4_SBR反应器；5_出水阀门；6-出水管-J-阴极；8_曝气头；9_排泥阀门；10_排泥管；11_空气压缩机；12_空气管；13_电阻；14-导线。图4为产电稳定后典型周期内电压及输出功率变化情况。
具体实施例方式本发明提供了一种活性污泥法工艺同步产电方法，下面结合
和具体实施方式
对本发明做进一步说明。实施例1:图1为本发明所述普通活性污泥法工艺同步产电的原理示意图。活性污泥反应器I底部装有同空气压缩机3连接的曝气头2，在活性污泥反应器I的首端和末端分别安装阳极5和阴极8，其中，阳极5采用石墨材料，阴极8采用钛基二氧化铅材料。设备安装完成后，向反应器中接种活性污泥，可生化处理的污水由反应器首端进入并与阳极5接触，活性污泥微生物作用下氧 化去除污水中的有机物物并产生电子和质子，产生的电子传递到阳极5，并经外电路流向阴极8，从而产生外电流；产生的质子沿水流方向传递到阴极8，内电路电流方向为从阳极5流向阴极8，由此完成反应器内部电荷的传递；外电路的电子到达阴极8与质子以及氧气、硝态氮等电子受体发生还原反应，由此完成产电过程。图2为普通活性污泥法工艺持续运行60天同步产电电压与输出功率变化情况。按上述运行方法进行同步产电，输出功率为1280mW/m3，输出电压稳定在45(T520mV。在污水处理厂中，可根据反应池长度增加中电极个数，以提升产电性能。实施例2:图3为本发明所述序批式活性污泥法工艺同步产电的原理示意图。采用装有进水阀门2、出水阀门5的序批式反应器4，反应器底部装有同空气压缩机11连接的曝气头8。在序批式反应器4上下端分别安装阳极3和阴极7，其中，阳极3采用石墨材料，阴极7采用钛基二氧化铅材料。设备安装完成后，向反应器内接种活性污泥，可生化处理的污水由进水管I进入并与阳极3接触，在活性污泥微生物作用下氧化去除污水中的有机物并产生电子和质子，产生的电子传递到阳极3，并经外电路流向阴极7，从而产生外电流；产生的质子通过水流传递到阴极7，内电路电流方向为从阳极3流向阴极7，由此完成反应器内部电荷的传递；外电路的电子到达阴极7与质子以及氧气、硝态氮等电子受体发生还原反应，由此完成产电过程。序批式反应器4每天运行2个周期，没周期12小时，其中好氧4小时，沉淀出水
0.5小时，闲置3.5小时。图4是产电稳定后典型周期内电压及输出功率变化情况。如图4可知，按上述运行方法进行同步产电，输出功率为1300mW/m3，外电路电压最高达到530 mV。在污水处理厂中，可根据实际需要增加反应器中电极个数，以提升产电输出功率，且随着电极材料的不断改进，输出功率将不断增加。
权利要求
1.活性污泥法工艺同步产电方法，其特征在于利用活性污泥氧化去除污水中有机污染物时产生电子和质子，产生的电子传递到阳极，并经外电路流向阴极，产生外电流；产生的质子通过水流传递到阴极，完成反应器内部电荷的传递；外电路电子到达阴极与氧气及硝态氮等电子受体发生还原反应，由此实现同步产电。
2.根据权利要求1所述的活性污泥法工艺同步产电方法，其特征在于所述活性污泥反应器中安装有阴、阳电极，所述阳电极采用石墨材料，所述阴电极以钛基二氧化铅材料。
3.根据权利要求1或2所述的活性污泥法同步产电方法，其特征在于所述阳极上未布置产电微生物膜，且阴、阳电极均处于好氧环境中。
4.根据权利要求1或2所述的活性污泥法同步产电方法，其特征在于所述污水COD 彡 200 mg/L 。
全文摘要
活性污泥法工艺同步产电方法。主要利用活性污泥微生物代替产电微生物氧化去除污水中的有机污染物，并产生电子和质子，产生的电子传递到阳极，并经外电路流向阴极，从而产生外电流；产生的质子通过水流传递到阴极，由此完成反应器内部电荷的传递；外电路的电子到达阴极与氧气及硝态氮等电子受体发生还原反应，由此完成产电过程。本发明所述方法对污水进行氧化净化的同时能实现同步产电，实现净水产能双效合一；所述产电装置结构简单，操作方便，输出功率高，是一种可在污水处理厂中广泛推广应用的同步产电方法。
文档编号C02F3/12GK103145238SQ20131009487
公开日2013年6月12日 申请日期2013年3月22日 优先权日2013年3月22日
发明者陈洪波, 李小明, 杨麒, 罗琨, 曾光明 申请人:湖南大学