微生态周期切换式微生物电解池及其运行方法与流程

本发明属于微生物电解池技术领域，特别是涉及到一种微生态周期切换式微生物电解池及其运行方法。

背景技术：

微生物电解池是一种近年来新兴的生物制氢技术，仅需很小的电量输入，便可将有机废水转化为氢气及其他具有附加价值的化学物质，在环境、能源及废水处理领域受到了广泛的关注。影响微生物电解池效能的因素包括其内的微生物、阳极、阴极、膜、废水底物成分及组成以及微生物电解池的结构设计。

若阴极所产气体没有被及时抽离，无膜微生物电解池的产氢效能就会大大降低，但其产甲烷效能却不会受到影响，且微生物电解池所产生物气甲烷含量更接近于天然气甲烷含量的水平。再有，甲烷比氢气更易于管理和存储。因此，就目前氢能开发和利用的技术水平而言，采用微生物电解池产甲烷比产氢更具工程化推广的优势。但微生物电解池仍为氢能实现清洁能源工程技术突破的研究热点。

通过优选微生物、改善电极材料和优化运行条件等方法，微生物电解池的效能已取得了较大的提高，但仍存在无法实现根据所处理污水的水质水量特点及负荷条件的改变而及时调节微生物电解池内的微生态环境的目的。因此，亟需将微生物电解池与传统的废水厌氧生物处理技术有机结合起来，使其真正实现工程化、工业化和商业化。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种微生态周期切换式微生物电解池及其运行方法，可依据所处理污水的水质水量特点及负荷条件来配置外部管路最适合的阀门切换模式与切换频率，使得微生物电解池各隔室内的微生态发生相应的周期切换，且所生成的生物气可为接近于天然气甲烷含量的混合气体，亦可为以产氢气为主，以得到污水处理和清洁能源回收的最优耦合效果，极具灵活性，有利于微生物电解池技术真正实现工程化、工业化和商业化。

微生态周期切换式微生物电解池，其特征是：为长方体结构，且长方体结构沿长度方向平均分割为四个隔室，包括隔室ⅰ，隔室ⅱ、隔室ⅲ以及隔室ⅳ；所述每个隔室内均设置有一个折板，分别为折板ⅰ、折板ⅱ、折板ⅲ以及折板ⅳ，所述折板将隔室按照横剖面积1:5的比例分割为上流区和下流区；

所述每个隔室的外侧壁上均设置有外接管路和三个阀门；

所述每个隔室的下流区侧壁上设置有一个进水孔，上流区设置有一个出水孔，各隔室侧壁上设置的出水孔位置高于进水口位置；

所述长方体结构的上部设置有上盖板，且上盖板上对应每个隔室的位置均设置有外接电路预留孔和导气预留孔，所述每个外接电路预留孔和导气预留孔均通过胶圈和丝扣密封；

所述每个隔室内均设置有石墨毡阳极和阴极，所述石墨毡阳极上设置有石墨毡和不锈钢垫片，所述石墨毡的宽度小于折板的宽度，所述折板上端预留孔隙和下端预留孔隙将石墨毡缠绕于折板的上流区一侧；所述不锈钢垫片通过不锈钢螺丝固定于石墨毡顶端，并连接不锈钢丝通过所在隔室所对应的外接电路预留孔穿过上盖板与外电路直流电正极相连；所述不锈钢垫片收集石墨毡电子；

所述阴极包括不锈钢网ⅰ、不锈钢网ⅱ以及不锈钢支架，所述不锈钢网ⅰ和不锈钢网ⅱ的几何中心位置通过不锈钢支架连接，所述不锈钢支架穿过上盖板上设置的外接电路预留孔与外接电路直流电负极连接；两块不锈钢网与水平方向成60°角设置，两块不锈钢网的间距为长方体结构宽的0.5倍，两块不锈钢网的上边缘位于各隔室自由液面以下，与自由液面的距离为长方体结构宽的0.1倍，两块不锈钢网水平投影靠近阳极边与阳极板距离为长方体结构宽的0.3倍，其余三条边与隔室侧壁的距离为长方体结构宽的0.1倍。

所述外接电路预留孔的中心位于两块不锈钢网水平投影对角线的中点上。

所述不锈钢网ⅰ和不锈钢网ⅱ与石墨毡阳极和隔室隔板均非接触。

所述导气预留孔的中心位于隔室的中心点上，且导气预留孔可外接气体采集装置。

所述每个隔室的底板均设有排空孔，用于检修和泄空。

所述微生态周期切换式微生物电解池所生成的生物气，可为接近于天然气甲烷含量的混合气体，亦可为以产氢气为主。

微生态周期切换式微生物电解池的运行方法，其特征是：四个隔室为四个并联运行的电解池；通过十二个阀门的切换实现四个隔室的微生态周期性切换，对于设定的阀门切换周期t，具有相邻隔室依次切换模式和每隔一隔室切换模式两种切换模式；

所述相邻隔室依次切换模式为，在一个切换周期的运行过程中，每个隔室都有t/4的时段作为进水隔室，t/4的时段作为出水隔室，其切换流程顺次为，在0<t<t/4时段内，隔室ⅰ、隔室ⅱ、隔室ⅲ、隔室ⅳ；在t/4<t<t/2时段内，隔室ⅳ、隔室ⅰ、隔室ⅱ、隔室ⅲ；在t/2<t<3t/4时段内，隔室ⅲ、隔室ⅳ、隔室ⅰ、隔室ⅱ；在3t/4<t<t时段内，隔室ⅱ、隔室ⅲ、隔室ⅳ、隔室ⅰ；

所述每隔一隔室的切换模式为，在一个切换周期的运行过程中，隔室ⅰ和隔室ⅲ均有t/2的时段作为进水隔室，有t/2的时段作为第三隔室；隔室ⅱ和隔室ⅳ均有t/2的时段作为第二隔室，有t/2的时段作为出水隔室，其切换流程顺次为，在0<t<t/2时段内，隔室ⅰ、隔室ⅱ、隔室ⅲ、隔室ⅳ；在t/2<t<t时段内，隔室ⅲ、隔室ⅳ、隔室ⅰ、隔室ⅱ。

所述长方体结构被均分的隔室数量为n，其中n≥4，阀门切换模式为相邻隔室依次切换模式、每隔一隔室切换模式至每隔n-3隔室切换模式。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：微生态周期切换式微生物电解池及其运行方法，四个隔室为四个并联运行的电解池；可通过外部管路上十二个阀门的切换实现四个隔室的微生态周期性切换；在阀门切换频率为零(即不切换)的极限情况下，微生态周期切换式微生物电解池污水处理效能等同于简单的厌氧折流板反应器(abr)；而在另一种阀门切换频率无穷大的极限情况下，各隔室之间变得均一化，微生态周期切换式微生物电解池污水处理效能表现出uasb的特征；通过调节切换频率可以极大增强微生态周期切换式微生物电解池污水处理效能的灵活性，可依据所处理污水的水质水量特点及负荷条件以配置最适合的阀门切换模式与切换频率，使得微生态周期切换式微生物电解池按照abr、uasb或介于二者之间的方式运行，得到最优污水处理效果与最佳的甲烷产率。再者，阴极的构型设计兼有气、液、固三相分离的作用，可强化污水处理与效能。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：

图1为本发明微生态周期切换式微生物电解池有机玻璃主体框架示意图。

图2为本发明微生态周期切换式微生物电解池阳极结构示意图。

图3为本发明微生态周期切换式微生物电解池阴极位置、阀门设置和上盖板外电路预留孔及导气预留孔俯视示意图。

图4为本发明微生态周期切换式微生物电解池阴极纵剖面示意图。

图5为本发明微生态周期切换式微生物电解池相邻隔室依次切换模式0<t<t/4时段示意图。

图6为本发明微生态周期切换式微生物电解池相邻隔室依次切换模式t/4<t<t/2时段示意图。

图7为本发明微生态周期切换式微生物电解池相邻隔室依次切换模式t/2<t<3t/4时段示意图。

图8为本发明微生态周期切换式微生物电解池相邻隔室依次切换模式3t/4<t<t时段示意图。

图9为本发明微生态周期切换式微生物电解池每隔一隔室切换模式0<t<t/2时段示意图。

图10为本发明微生态周期切换式微生物电解池每隔一隔室切换模式t/2<t<t时段示意图。

图中1-隔室ⅰ、2-隔室ⅱ、3-隔室ⅲ、4-隔室ⅳ、5-折板ⅰ、6-折板ⅱ、7-折板ⅲ、8-折板ⅳ、9-上盖板、10-不锈钢网ⅰ、11-不锈钢网ⅱ、12-不锈钢支架、13-外接电路预留孔、14-导气预留孔、15-上端预留孔隙、16-不锈钢丝、17-不锈钢垫片、18-不锈钢螺丝、19-石墨毡、20-下端预留孔隙、21-阀门ⅰ、22-阀门ⅱ、23-阀门ⅲ、24-阀门ⅳ、25-阀门ⅴ、26-阀门ⅵ、27-阀门ⅶ、28-阀门ⅷ、29-阀门ⅸ、30-阀门ⅹ、31-阀门ⅺ、32-阀门ⅻ。

具体实施方式

微生态周期切换式微生物电解池，如图1～图4所示，为由有机玻璃材质的敞口长方体结构和上盖板9构成，长方体结构内部沿长度方向平均分割为四个隔室，包括隔室ⅰ1，隔室ⅱ2、隔室ⅲ3以及隔室ⅳ4；所述每个隔室内均设置有一个折板，分别为折板ⅰ5、折板ⅱ6、折板ⅲ7以及折板ⅳ8，所述折板将隔室按照横剖面积1:5的比例分割为上流区和下流区；所述每个隔室的外侧壁上均设置有外接管路和三个阀门，其中隔室ⅰ1设置有阀门ⅰ21、阀门ⅱ22以及阀门ⅲ23，隔室ⅱ2设置有阀门ⅳ24、阀门ⅴ25以及阀门ⅵ26，隔室ⅲ3设置有阀门ⅶ27、阀门ⅷ28以及阀门ⅸ29，隔室ⅳ4设置有阀门ⅹ30、阀门ⅺ31以及阀门ⅻ32，所述每个隔室的下流区侧壁上均设置有进水孔，上流区侧壁上均设置有一个出水孔，各隔室侧壁上设置的出水孔位置高于进水口位置；

四个隔室为并联运行的四个电解池；进水通过进水隔室下流区侧壁上的进水孔流入进水隔室，进而通过进水隔室的折板底部进入进水隔室的上流区，然后通过进水隔室上流区侧壁上的出水孔通过外接管路流入下一隔室，以此类推，直至最后由出水隔室上流区侧壁上的出水孔流出；

所述长方体结构的上部设置有上盖板9，且上盖板9上对应每个隔室的位置均设置有外接电路预留孔13和导气预留孔14，所述每个外接电路预留孔13和导气预留孔14均通过胶圈和丝扣密封；

所述每个隔室内均设置有石墨毡阳极和阴极，所述石墨毡阳极上设置有石墨毡19和不锈钢垫片17，所述石墨毡19的宽度小于折板的宽度，所述折板上端预留孔隙15和下端预留孔隙20将石墨毡19缠绕于折板的上流区一侧；所述不锈钢垫片17通过不锈钢螺丝18固定于石墨毡19顶端，并连接不锈钢丝16通过所在隔室所对应的外接电路预留孔13穿过上盖板9与外电路直流电正极相连；所述不锈钢垫片17收集石墨毡19电子；石墨毡的宽度略小于折板宽度，且砧板可拆卸，折板下边缘至长方体结构底板的距离为石墨毡19厚度的3倍～5倍，折板上边缘至上盖板9的距离为石墨毡19厚度的1倍～2倍。

所述阴极为完全相同且上下叠置的两块不锈钢网，包括不锈钢网ⅰ10和不锈钢网ⅱ11，亦有对每个隔室上流区出水区域进行气、液、固三相分离的作用。所述阴极由连接两块不锈钢网的几何中心的不锈钢支,12通过外接电路预留孔13穿过上盖板9后固定其高度于外接电路上。所述不锈钢支架12与外电路直流电负极相连。所述不锈钢网ⅰ10和不锈钢网ⅱ11与水平方向成60°角设置，二者间距为长方体宽的0.5倍；二者的上边缘位于各隔室自由液面以下，与自由液面的距离为长方体结构宽的0.1倍；二者水平投影靠近阳极的边与阳极板距离为长方体宽的0.3倍，其余三条边与隔室壁距离为长方体宽的0.1倍，即所述两块不锈钢网与阳极和隔室隔板均非接触。所述外接电路预留孔13的中心位于两块不锈钢网水平投影对角线的中点上。

所述石墨毡阳极的金属连接部件和所述阴极的所有部件，亦可全部替换为镍基合金。

所述有机玻璃以可由其余不导电且符合力学要求的材料替代。

微生态周期切换式微生物电解池的操作方法，其特征是：通过十二个阀门的切换实现四个隔室的微生态周期性切换，对于设定的阀门切换周期t，具有相邻隔室依次切换模式和每隔一隔室切换模式两种切换模式；

具体实施方式一，如图5～图8所示，所述相邻隔室依次切换模式为，在一个切换周期t的运行过程中，每个隔室都有t/4的时段作为进水隔室，t/4的时段作为出水隔室，其切换流程顺次为，在0<t<t/4时段内，隔室ⅰ1、隔室ⅱ2、隔室ⅲ3、隔室ⅳ4；在t/4<t<t/2时段内，隔室ⅳ4、隔室ⅰ1、隔室ⅱ2、隔室ⅲ3；在t/2<t<3t/4时段内，隔室ⅲ3、隔室ⅳ4、隔室ⅰ1、隔室ⅱ2；在3t/4<t<t时段内，隔室ⅱ2、隔室ⅲ3、隔室ⅳ4、隔室ⅰ1；即在一个切换周期的运行过程中，每个隔室都有t/4的时段作为进水隔室，还有1/4周期的时段作为出水隔室。

具体实施方式二，如图9和图10所示，所述每隔一隔室的切换模式为，在一个切换周期t的运行过程中，隔室ⅰ1和隔室ⅲ3均有t/2的时段作为进水隔室，有t/2的时段作为第三隔室；隔室ⅱ2和隔室ⅳ4均有t/2的时段作为第二隔室，有t/2的时段作为出水隔室，其切换流程顺次为，在0<t<t/2时段内，隔室ⅰ1、隔室ⅱ2、隔室ⅲ3、隔室ⅳ4；在t/2<t<t时段内，隔室ⅲ3、隔室ⅳ4、隔室ⅰ1、隔室ⅱ2。

具体实施方式三，本实施方式与上述操作的不同点是：可增加长方体结构沿长度方向被均分的隔室数量n(n≥4)，相应的阀门切换模式除相邻隔室依次切换模式以外、还包括每隔一隔室切换模式直至每隔n-3隔室切换模式为止等若干种。

具体实施方式四，本实施方式与上述操作的不同点是：所述石墨毡阳极的金属连接部件和所述阴极的所有部件，亦可全部替换为镍基合金。

具体实施方式五，本实施方式与上述操作的不同点是：所述有机玻璃亦可由其余不导电且符合力学要求的材料替代。