一种通过导流板调控流向的微生物电化学多模块堆栈系统

1.本发明涉及一种微生物电化学多模块堆栈系统。


背景技术：

2.微生物电化学系统(microbial electrochemical system,mes)，是能直接利用微生物的催化作用将有机物中的化学能直接转化成电能的装置，因其具有产生清洁能源电能、高效降解有机污染物等诸多优点，在能源、环境及废水处理领域受到了广泛的关注。同时在水处理领域，该技术改变了水处理的模式，受到研究者的广泛重视。在微生物电化学系统中，阳极中的微生物代谢废水中的有机或无机物质，将电子转移至阳极电极上，电子通过外电路传导至阴极，在阴极电子与氧气结合，质子从阳极迁移至阴极，发生氧还原反应，从而形成闭合回路，完成整个反应过程。
3.作为一种污水处理装置，微生物电化学系统的实用化放大是该技术应用推广的必经阶段。单体反应器三维尺度的简单扩增会导致系统电流和功率密度的组件衰减，因此仅通过等比扩增单体反应器容积获得较大系统是低效率的。微生物电化学系统的放大需要进行模块化合理堆栈形成较大的构筑物。平板插入式模块设计是目前比较成功的可堆栈设计，具有结构简单，易于维护，放大潜力好等优势，但其堆栈方式和堆栈反应器的设计一直处于缺失状态。
4.堆栈结构中一般污水在多模块间的分布有并联和串联两种模式。在常见的微生物电化学系统堆栈结构中，往往采用多级模块依次串联进水的布水方式使污染物的去除较为彻底，但位于串联水路末端的模块中阳极微生物长期处于底物受限状态会发生难于逆转的电极性能退化，使该模块的产电能力受到极大限制，并且，即使重新补充底物，也需要较长时间才能够部分恢复。相对于串联布水的方式，模块间平行并联布水能够保持各个模块性能的平衡有利于电能产生和回收。但单纯的并联布水模式中污水在各模块间的均匀分布很难长期保证。距离进水口较近的模块在并联布水中可能会有较大的水力负荷。同时由于污水的流程较短，所以污染物去除率相对于串联布水可能有损失。因此微生物电化学系统的流向应该需要进行转换并且能够方便的在串联和并联布水模式中转换。
5.因此，微生物电化学系统堆栈体急需创新，在结构简单、易于构建的基础上实现污水在模块间分布合理，流向可调，以实现有机污染物的高效去除以及各mes模块的性能均衡稳定。


技术实现要素：

6.本发明针对上述背景技术中提出的问题，提出一种通过导流板调控流向的微生物电化学多模块堆栈系统。
7.本发明通过导流板调控流向的微生物电化学多模块堆栈系统由堆栈系统池体、多个阳极模块、多个阴极模块和多个导流板构成；堆栈系统池体的顶部盖板上设置有导流板安装孔、阳极模块安装孔和阴极安装孔；阴极模块由阴极安装孔插入至堆栈系统池体内部，
阳极模块由数个整列排布的阳极构成；阳极由阳极模块安装孔插入至堆栈系统池体内部，导流板由导流板安装孔插入至阴极模块和堆栈系统池体侧壁之间、或导流板由导流板安装孔插入至相邻的阴极模块之间；阳极模块和阴极模块间隔设置，导流板用于阻断阴极模块与堆栈系统池体侧壁之间形成的布水廊道、或导流板用于阻断相邻的阴极模块之间形成的布水廊道，使水流动方向发生改变，从而实现控制污水的串联布水、并联布水以及混联布水。堆栈系统池体上对称设置有进出水端口，进出水端口通过匀流布水通道与堆栈系统池体内部连通；进出水端口既可以作为进水口，也可以作为出水口，进出水端口的功能转换能够实现水流流向的调整。匀流布水通道内填充有多孔介质。在实际应用过程中，布水匀流段可以随污水流态变化而缩短或延长，填加的多孔介质能够增加匀流效果，使污水在断面上流速均匀，所述阴极模块应具有刚性边壁保证导流板的阻隔作用。
8.本发明原理：
9.本发明基于平板式微生物电化学模块构建堆栈式反应器。多个单体模块只需插入该堆栈式结构即可装配形成较大系统。反应器的进出水端口设计有匀流布水通道，可使流入系统的污水在布水断面上流速均匀，有利于在各模块间的均匀分布。阴极模块与器壁之间形成布水廊道，可插拔的导流板能够调控反应器内部处于串联布水或者并联布水状态；串联布水即污水流入反应器后依次通过各阳极模块后流出反应器，或者污水流入反应器后分成若干平行支流分别通过各阳极模块后重新汇聚流出反应器。反应器的进出水端口既可以用来进水也可以用来出水，系统内污水流向能够方便的转换，可防止在一个端口长时间进水导致各模块间布水不均匀，并且能够配合各节点的导流板实现串并联布水模式的转换，适应实际水处理中的各种环境和运行特征以及对mes堆栈系统的功能要求。
10.本发明优点：
11.1.本发明能够在结构简易的基础上实现多模块mes堆栈放大。在深度方向上可借助模块以及堆栈系统本身高度增加进行延展，在宽度和长度方向上可通过堆栈更多的模块数目进行延展。通过三维扩展，该堆栈系统易于构建和容积扩增，适用于多种尺度的实际污水处理工艺要求。
12.2.本发明涉及的mes多模块堆栈系统能够分别抽取阳极和阴极模块，便于进行替换或者维护，增加了维护简易度和节约了成本。
13.3.本发明能够在mes多模块堆栈系统中通过导流板设计实现串联布水、并联布水或者串并联混合布水，并且通过安装或取出导流板可在多种布水模式间调整。
14.4.本发明所涉及的mes多模块堆栈系统能够通过进出水端口的转换、以及导流板的安放位置实现体系内部多模块间的污水流向变化，从而避免长期固定的布水方式运行导致模块间的污水分布不均以及污泥淤积。
15.5.本发明所涉及的mes多模块堆栈系统适用于空气阴极微生物电化学系统，也适用于具有生物阴极或曝气的双室化学阴极等其他阴极模块的微生物电化学系统，均可以通过阴极模块与模块间、或模块与边壁间插入或拔出导流板约束污水流动方向形成可控流程。
附图说明
16.图1为实施例1中通过导流板调控流向的微生物电化学多模块堆栈系统(不含侧
壁)的结构示意图；
17.图2为堆栈系统池体(含有空气阴极模块和导流板)的结构示意图；
18.图3为堆栈系统池体的结构示意图；
19.图4为顶部盖板(3)的结构示意图；
20.图5为堆栈系统池体的底板的结构示意图；
21.图6为实施例1中堆栈系统串联布水模式示意图；
22.图7为实施例1中堆栈系统并联布水模式示意图；
23.图8为实施例1中堆栈系统串联布水模式下6组电极对的电能输出性能曲线图；
24.图9为实施例1中堆栈系统并联布水模式下6组电极对的电能输出性能曲线图；
25.图10实施例1中的电极对连接示意图；
26.图11具体实施方式一混联布水模式示意图。
具体实施方式
27.本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。
28.具体实施方式一：本实施方式通过导流板调控流向的微生物电化学多模块堆栈系统由堆栈系统池体、多个阳极模块、多个阴极模块2和多个导流板7构成；堆栈系统池体的顶部盖板3上设置有导流板安装孔9、阳极模块安装孔10和阴极安装孔11；阴极模块2由阴极安装孔11插入至堆栈系统池体内部，阳极模块由数个整列排布的阳极1构成；阳极1由阳极模块安装孔10插入至堆栈系统池体内部，导流板7由导流板安装孔9插入至阴极模块2和堆栈系统池体侧壁之间、或导流板7由导流板安装孔9插入至相邻的阴极模块2之间；阳极模块和阴极模块2间隔设置，导流板7用于阻断阴极模块2与堆栈系统池体侧壁之间形成的布水廊道、或导流板7用于阻断相邻的阴极模块2之间形成的布水廊道，使水流动方向发生改变，从而实现控制污水的串联布水、并联布水以及混联布水如图11所示。堆栈系统池体上对称设置有进出水端口4，进出水端口4通过匀流布水通道5与堆栈系统池体内部连通；进出水端口4既可以作为进水口，也可以作为出水口，进出水端口4的功能转换能够实现水流流向的调整。匀流布水通道5内填充有多孔介质。在实际应用过程中，布水匀流段5可以随污水流态变化而缩短或延长，填加的多孔介质能够增加匀流效果，使污水在断面上流速均匀；所述阴极模块2具有刚性边壁；刚性边壁用于固定阴极。
29.1.本发明能够在结构简易的基础上实现多模块mes堆栈放大。在深度方向上可借助模块以及堆栈系统本身高度增加进行延展，在宽度和长度方向上可通过堆栈更多的模块数目进行延展。通过三维扩展，该堆栈系统易于构建和容积扩增，适用于多种尺度的实际污水处理工艺要求。
30.2.本发明涉及的mes多模块堆栈系统能够分别抽取阳极和阴极模块，便于进行替换或者维护，增加了维护简易度和节约了成本。
31.3.本发明能够在mes多模块堆栈系统中通过导流板设计实现串联布水、并联布水或者串并联混合布水，并且通过安装或取出导流板可在多种布水模式间调整。
32.4.本发明所涉及的mes多模块堆栈系统能够通过进出水端口的转换、以及导流板的安放位置实现体系内部多模块间的污水流向变化，从而避免长期固定的布水方式运行导
致模块间的污水分布不均以及污泥淤积。
33.具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述多孔介质为多孔填料、碎石、多层多孔塑料板；多孔塑料板竖向设置，且多层多孔塑料板相互平行。
34.具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述堆栈系统池体和导流板7为绝缘材料。
35.具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：绝缘材料为工程塑料、砖石结构，混凝土、绝缘处理的金属或绝缘处理的合金。
36.具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述阳极1为碳基阳极或金属基阳极；碳基阳极为碳纤维刷、碳毡、石墨板、石墨棒等；金属基阳极为不锈钢网、钛网、铜网等。
37.具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式四不同的是：所述阴极模块2为矩形，阴极模块2为空气阴极模块或生物阴极模块。
38.具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：空气阴极模块的一个侧面上设置有阴极或两个侧面上分别设置有阴极；空气阴极模块的顶部设置有与大气连通的进气孔道。阴极模块2的顶部设置有与大气连通的进气孔道。进气孔道连通大气使空气阴极表面能够获得氧气。
39.具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述堆栈系统池体的底板上表面设置有阴极卡槽6，阴极模块2的下端设置在阴极卡槽6内。阴极卡槽6用于固定阴极模块2。
40.具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：所述进出水端口4覆盖有端口盖板12，端口盖板12上设置有水管13。
41.具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：进出水端口4设置在堆栈系统池体的角部。
42.实施例1：
43.结合图1～3说明，本实施例通过导流板调控流向的阴极微生物电化学多模块堆栈系统由堆栈系统池体、多个阳极模块、多个阴极模块2和多个导流板7构成；
44.阳极模块包括6根阳极1，阳极1为碳纤维刷，直径为2.5cm，长为15cm；
45.阴极模块2为空气阴极模块，整体外部尺寸为：高13cm，长22cm，宽2cm；阴极模块2的两个侧面分别设置有空气阴极；空气阴极尺寸为：宽15cm，长22cm，厚1mm；空气阴极顶部高出阴极模块2cm，用于连接导线；
46.堆栈系统池体和导流板7材质为硬质聚碳酸酯板，壁厚10mm，堆栈系统池体为长方形设计，可供模块堆栈的部分内部尺寸为：总容积6.1l，长250mm，宽195mm，高135mm，可供三块阴极模块2和四列阳极模块堆栈；导流板7尺寸为：高135mm，厚5mm，宽15mm；
47.堆栈系统池体的顶部盖板3上设置有导流板安装孔9、阳极模块安装孔10和阴极安装孔11；阴极模块2由阴极安装孔11插入至堆栈系统池体内部，阳极模块由数个整列排布的阳极1构成；阳极1由阳极模块安装孔10插入至堆栈系统池体内部，导流板7由导流板安装孔9插入至阴极模块2和堆栈系统池体侧壁之间、或导流板7由导流板安装孔9插入至相邻的阴极模块2之间；阳极模块和阴极模块2间隔设置，导流板7用于阻断阴极模块2与堆栈系统池体侧壁之间形成的布水廊道、或导流板7用于阻断相邻的阴极模块2之间形成的布水廊道，
使水流动方向发生改变，从而实现控制污水的串联布水、并联布水以及混联布水。
48.堆栈系统池体的四角分别设有进出水端口4，进出水端口4通过匀流布水通道5与堆栈系统池体内部连通；进出水端口4既可以作为进水口，也可以作为出水口，进出水端口4的功能转换能够实现水流流向的调整。进出水端口4覆盖有端口盖板12，端口盖板12上设置有水管13；匀流布水段5的长度为3cm，匀流布水通道5内填充有多层多孔塑料板；多孔塑料板竖向设置，且多层多孔塑料板相互平行。在实际应用过程中，布水匀流段5可以随污水流态变化而缩短或延长，填加的多孔介质能够增加匀流效果，使污水在断面上流速均匀。
49.阴极模块2为矩形，具有刚性边壁，堆栈系统池体的底板上表面设置有阴极卡槽6，阴极模块2的下端设置在阴极卡槽6内；阴极卡槽6用于固定阴极模块2；
50.图6为实施例1中堆栈系统串联布水模式示意图，图中x表示封闭的进出水端口；导流板7交错插入相应节点时，系统内部污水依次通过沿程四列阳极模块，系统以串联布水模式分配污水。进出水端口4可选择作为进水端口、出水端口，也可封闭。调整进水和出水的位置，并封闭其他端口能够使mes多模块堆栈系统内部各节点污水流向全部或部分反转。在串联布水模式中，位于流程下游的mes模块能够在污水流向反转后变为流程上游得到更充足的底物。图7为实施例1中堆栈系统并联布水模式示意图；导流板7完全取出时，系统内部污水以并联布水模式分配进入四列阳极模块区域，为阳极微生物提供底物。并联布水模式中，位于进出水端口4远端的模块也可在污水流向反转后位置变为进出水端口4近端。通过周期性的调整流向，能够使各模块的性能更加均衡稳定。
51.实施例1中所使用的市政污水采集自初级沉淀池出水口。污水cod波动范围约为400～550mg/l，scod的波动范围为200～300mg/l。反应器采用连续流运行的方式，停留时间4h。图10实施例1中的电极对连接示意图，启动期间，阳极模块和相邻的阴极模块2上的空气阴极通过导线连接构成一组电极对，两个阴极模块2之间的阳极模块分别与两侧的空气阴极连接构成一组电极对，共6组电极对，分别为电极对d1～d 6，阴阳极之间的外电阻从1000欧姆逐渐调低到2欧姆(1000ω,500ω,200ω,100ω,50ω,20ω,10ω,5ω到2ω)。每个电阻运行一个完整周期。运行至最小电阻，认为启动期结束。
52.启动结束后，测定该mes多模块堆栈系统6对阴阳电极对的电能输出指标。mes多模块堆栈系统首先在并联模式下运行，以48h为周期调整流向，运行两周后测定6对电极对的电能输出性能。mes多模块堆栈系统在串联模式下运行，以48h为周期调整流向，运行两周后测定堆栈系统6组电极对的电能输出性能，运行期间污水水质稳定。
53.图8为实施例1中堆栈系统串联布水模式下6组电极对的电能输出性能曲线图；图9为实施例1中堆栈系统串联布水模式下6组电极对的电能输出性能曲线图，实施例1的mes多模块堆栈系统运行过程中，通过进出水端口和导流板控制流场并实现流向反转，从而使本体系取得各个模块电极组间产电平衡。其中流向周期调整的并联布水模式下6组电极对的电能输出性能较串联布水模式下更为均衡稳定。
54.1、本实施例基于平板式微生物电化学模块构建堆栈式反应器。多个单体模块只需插入该堆栈式结构即可装配形成较大系统。反应器的进出水端口4设计有匀流布水通道5，可使流入系统的污水在布水断面上流速均匀，有利于在各模块间的均匀分布。阴极模块2与器壁之间形成布水廊道，可插拔的导流板7能够调控反应器内部处于串联布水或者并联布水状态；串联布水即污水流入反应器后依次通过各阳极模块后流出反应器，或者污水流入
反应器后分成若干平行支流分别通过各阳极模块后重新汇聚流出反应器。反应器的进出水端口4既可以用来进水也可以用来出水，系统内污水流向能够方便的转换，可防止在一个端口长时间进水导致各模块间布水不均匀，并且能够配合各节点的导流板7实现串并联布水模式的转换，适应实际水处理中的各种环境和运行特征以及对mes堆栈系统的功能要求。
55.2、本实施例能够在结构简易的基础上实现多模块mes堆栈放大。在深度方向上可借助模块以及堆栈系统本身高度增加进行延展，在宽度和长度方向上可通过堆栈更多的模块数目进行延展。通过三维扩展，该堆栈系统易于构建和容积扩增，适用于多种尺度的实际污水处理工艺要求。
56.3、本实施例涉及的mes多模块堆栈系统能够分别抽取阳极和阴极模块，便于进行替换或者维护，增加了维护简易度和节约了成本。
57.4、本实施例能够在mes多模块堆栈系统中通过导流板设计实现串联布水、并联布水或者串并联混合布水，并且通过安装或取出导流板可在多种布水模式间调整。
58.5、本实施例所涉及的mes多模块堆栈系统能够通过进出水端口的转换、以及导流板的安放位置实现体系内部多模块间的污水流向变化，从而避免长期固定的布水方式运行导致模块间的污水分布不均以及污泥淤积。