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1、10申请公布号CN104230003A43申请公布日20141224CN104230003A21申请号201410126682022申请日20140331C02F3/34200601C12P5/02200601C12R1/0120060171申请人内蒙古科技大学地址014010内蒙古自治区包头市阿尔丁大街7号72发明人蒋海明李侠司万童54发明名称一种集有机污水处理和产甲烷于一体的微生物电解池装置57摘要本发明公开了一种集有机污水处理和产甲烷于一体的微生物电解池装置，通过污水进水管9将除氧气的有机物污水注入微生物电解池内作为阳极产电微生物生长的营养源，阳极产电微生物对污水中的有机物进行分解代谢，。
2、在污水处理的同时产生CO2、H及电子。同时在电辅助下，阴极电极4表面附着的电活性产甲烷菌将阳极产电微生物代谢有机物产生的CO2、H及电子转化为甲烷。本发明装置集污水处理、CO2捕获及产甲烷于一体，具有结构简单、建造成本低，且易规模放大等特点。此外，污水依次流经阳极区和阴极区，避免了在阴极添加电化学活性产甲烷菌培养基，降低了成本。因此本装置在有机污水能源化利用方面具有很好的应用前景。51INTCL权利要求书2页说明书5页附图1页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书5页附图1页10申请公布号CN104230003ACN104230003A1/2页21一种集有机污水处。
3、理和产甲烷于一体的微生物电解池装置，其特征在于包括微生物电解池壳体1，在微生物电解池壳体1内设置有阳极电极8和阴极电极4，阴极电极4和阳极电极8分别通过钛丝与外接直流稳压电源6的低电位端和高电位端相连，微生物电解池壳体的下端侧面设有进水管9，进水管9与布水器10相连，微生物电解池壳体底端设有污泥排放管11和阀12，微生物电解池壳体上端侧面设有排水管2，微生物电解池壳体顶端设有气体收集管3；所述微生物电解池装置还包括设置于进水管处用于控制污水进水流量和/或通断的进水控制阀、设置于排水管处用于控制排水流量和/或通断的排水控制阀、设置于气体收集管处用于检测气体成分和流量的气体监测装置、污水处理自动控。
4、制装置以及用于输入控制指令的人机操作面板；气体监测装置和人机操作面板连接到污水处理自动控制装置的信号输入端，进水控制阀、排水控制阀以及污泥排放阀连接到污水处理自动控制装置的信号输出端；所述污水处理自动控制装置为现有的计算机或单片机。2如权利要求1所述的一种集有机污水处理和产甲烷于一体的微生物电解池装置，其特征在于直流稳压电源为太阳能发电和辅助电源相结合，平时以太阳能发电作为直流稳压电源，当太阳能发电所产生的电能不足以维持微生物电解池运行时，开启辅助电源。3如权利要求1所述的一种集有机污水处理和产甲烷于一体的微生物电解池装置，其特征在于微生物电解池壳体1采用钢筋混凝土或碳钢材质制成。4如权利要求。
5、1所述的一种集有机污水处理和产甲烷于一体的微生物电解池装置，其特征在于所述的阴极电极4为碳纤维刷，阳极电极8采用碳纤维刷、网状玻璃碳或颗粒石墨，且在阴极电极4的表面附着电化学活性产甲烷菌，阳极电极8表面附着产电微生物。5如权利要求1所述的一种集有机污水处理和产甲烷于一体的微生物电解池装置，其特征在于阴极电极的电位为05V15V，所述的直流稳压电源6的直流输出电压为20V20V。6如权利要求1所述的一种集有机污水处理和产甲烷于一体的微生物电解池装置，其特征在于所述装置为连续操作，污水脱氧气后经进水管9、布水器10依次流经微生物电解池壳体1内的阳极电极8和阴极电极4，然后经排水管2流出，而所产生的。
6、CO2和CH4气体经气体收集管3排出并收集。7如权利要求4所述的一种集有机污水处理和产甲烷于一体的微生物电解池装置，其特征在于阴极电极4表面附着的电化学活性产甲烷菌是METHANOBACTERIUMPALUSTRE。8如权利要求17中任一项所述的一种集有机污水处理和产甲烷于一体的微生物电解池装置，其特征在于生物阴极制作方法是将电活性产甲烷菌METHANOBACTERIUMPALUSTRE首先在500ML带厚橡胶塞血清瓶中厌氧培养；在接种到微生物电解池前，取250ML培养液离心后再将浓缩物悬浮分散到无氧气、灭菌的培养基中；然后将细胞悬液接种到厌氧的微生物电解池，并立即鼓充CO2；直流稳压电源的电。
7、压固定为09V；在电辅助下，通过微生物电解池阴极表面附着的电活性产甲烷菌METHANOBACTERIUMPALUSTRE的催化作用将CO2气体还原为CH4；定期对微生物电解池的电流数据进行采样，待微生物电解池的电流最大且稳定后，认为电活性产甲烷菌METHANOBACTERIUMPALUSTRE在阴极电极表面充分附着，生物阴极的制作完成。9如权利要求18中任一项所述的一种集有机污水处理和产甲烷于一体的微生物电权利要求书CN104230003A2/2页3解池装置，其特征在于生物阳极制作方法是以污水处理厂的厌氧活性污泥为接种物，以污水处理厂的初沉溢流液为培养基，纯氮气除氧气后按容积比19的比例接种微。
8、生物电解池富集阳极产电微生物；微生物电解池为批次操作，每次实验结束后按上述比例加入接种物与培养基的混合液；直流稳压电源的电压固定为09V，定期对微生物电解池的电流数据进行采样，待微生物电解池的电流最大且稳定后，认为在阳极电极表面充分附着了产电微生物，此时生物阳极极的制作完成。10如权利要求1所述的一种集有机污水处理和产甲烷于一体的微生物电解池装置，其特征在于所述微生物电解池装置具有连续处理模式和封闭处理模式；连续处理模式是所述装置的默认工作模式，在此模式下，污水处理自动控制装置根据气体监测装置获取的气体成分和流量信息，判断微生物电解池的效率，从而控制进水控制阀、排水控制阀保持适当的流量，即当检。
9、测到的CO2和甲烷气体的流量之和高于第一阈值时，输出控制信号使进水控制阀、排水控制阀处于高流量状态，当检测到的CO2和甲烷气体的流量之和低于第二阈值时，输出控制信号使进水控制阀、排水控制阀处于低流量状态；封闭处理模式的具体步骤为A、污水处理自动控制装置首先输出控制信号使进水控制阀打开而排水控制阀关闭，当污水流量接近电解池的体积时，污水处理自动控制装置输出控制信号关闭进水控制阀，其中输出使进水控制阀打开的控制信号的时刻为气体流量计算的起始点；B、进入处理等待阶段，当检测到的CO2和甲烷气体的流量之和低于第三阈值时，污水处理自动控制装置输出控制信号同时使进水控制阀处于高流量状态、排水控制阀处于低流。
10、量状态；C、经过预定时间间隔后再次输出控制信号关闭进水控制阀和排水控制阀。权利要求书CN104230003A1/5页4一种集有机污水处理和产甲烷于一体的微生物电解池装置技术领域0001本发明涉及一种在处理有机污水的同时产甲烷的装置，属生物电化学、环境和生物能源的交叉领域，具体涉及一种集有机污水处理和产甲烷于一体的微生物电解池装置。背景技术0002能源、环境与水资源是人类赖以生存的基础。近年来随着化石燃料，特别是石油和天然气使用量的快速增长，触发了全球性的能源危机。此外，化石燃料在使用过程中排放的大量CO2会引起温室效应，并导致气候变暖。与此同时，化石燃料的开采与使用导致各种生态破坏及环境污染。。
11、随着全球气候变化与低碳经济发展的趋势不可避免，开发清洁能源、减少碳排放正成为国际社会各国的新目标，而节能减排也已成为世界经济发展与环境保护的主题之一。与此同时，人们在日常生活、生产过程中产生了大量的有机污水。目前，广泛采用的污水处理技术主要是好氧生物处理，其中又以活性污泥法为主。然而，活性污泥法处理污水能耗高，同时，活性污泥法还产生大量的污泥，而对污泥的处理也需要很高的费用。污水中的有机物既是污染物，同时也含能量，可以通过资源化利用的方式去除。如污水中潜在的能量大约为污水处理时所消耗电能的10倍。各种碳中和及可再生的能源技术是缓解目前全球能源与全球变暖危机及减少环境污染的重要途径。0003微生。
12、物电解池（MICROBIALELECTROLYSISCELL，MEC）是近年迅速发展起来的一种融合了污水处理和产生能源的新技术，可以在对污水进行生物处理的同时获得不同形式的能源，作为污水处理的新工艺，引起了国内外的广泛关注。MEC技术不仅克服了传统废水生物处理过程的缺点，而且回收的能源可以降低污水处理的成本。在能源、环境和水资源等问题日趋严重的今天，MEC可以实现减少污染物排放和对化石类燃料依赖及污水再生利用三大目标，达到经济和环境的双赢，这为有机污水的资源化处理提供了新思路。利用生物阴极的微生物电解池还原二氧化碳生产甲烷和乙酸的研究已有报道（WO2009/155587A2，CN2012104。
13、474493）。该方法使用生物阴极作为催化剂，无需氢气及有机物的添加便可合成甲烷。此外，集CO2转化、污水处理预一体的微生物电解池装置也有报道（CN201110209150X）。该装置利用离子交换膜将微生物电解池的阳极室和阴极室隔开，阳极室产生的CO2通过导气管道进入阴极室，在阴极室实现CO2捕获以及向CH4转化，从而实现CO2减排和有效利用的理念。但是该装置结构复杂、建造成本高，且不易规模放大。0004因此，有必要研究和开发结构简单、建造成本低，且易规模放大的集CO2转化、污水处理于一体的微生物电解池装置。发明内容0005本发明的目的在于提供一种能够在实现污水处理、捕捉CO2的同时，实现CO。
14、2向CH4转化的集污水处理、CO2转化甲烷于一体的结构简单、建造成本低，且易规模放大的微生物电解池装置。0006为解决上述问题，本发明采用如下技术方案说明书CN104230003A2/5页5本发明提供了一种集有机污水处理和产甲烷于一体的微生物电解池装置，其特征在于所述装置包括微生物电解池壳，在微生物电解池壳体内设置有阳极电极和阴极电极，阴极电极和阳极电极分别通过钛丝与外接直流稳压电源的低电位端和高电位端相连，微生物电解池壳体的下端侧面设有进水管，进水管与布水器相连，微生物电解池壳体底端设有污泥排放管和阀，微生物电解池壳体上端侧面设有排水管，微生物电解池壳体顶端设有气体收集管。0007本发明的所。
15、述微生物电解池装置还包括设置于进水管处用于控制污水进水流量和/或通断的进水控制阀、设置于排水管处用于控制排水流量和/或通断的排水控制阀、设置于气体收集管处用于检测气体成分和流量的气体监测装置、污水处理自动控制装置以及用于输入控制指令的人机操作面板；气体监测装置和人机操作面板连接到污水处理自动控制装置的信号输入端，进水控制阀、排水控制阀以及污泥排放阀连接到污水处理自动控制装置的信号输出端；所述污水处理自动控制装置可以为现有的计算机或单片机。0008所述微生物电解池装置具有连续处理模式和封闭处理模式；连续处理模式是所述装置的默认工作模式，在此模式下，污水处理自动控制装置根据气体监测装置获取的气体成。
16、分和流量信息，判断微生物电解的效率，从而控制进水控制阀、排水控制阀保持适当的流量，即当检测到的CO2和甲烷气体的流量之和高于第一阈值时，输出控制信号使进水控制阀、排水控制阀处于高流量状态，当检测到的CO2和甲烷气体的流量之和低于第二阈值时，输出控制信号使进水控制阀、排水控制阀处于低流量状态。此外，污水处理自动控制装置按照第一预定时间间隔输出控制信号打开污泥排放阀。该连续处理模式的优点在于能够以可接受的污水处理效果实现高效的污水处理。0009封闭处理模式旨在于达到最高的污水处理效果，此模式的具体步骤为A、污水处理自动控制装置首先输出控制信号使进水控制阀打开而排水控制阀关闭，当污水流量接近电解池的。
17、体积时，污水处理自动控制装置输出控制信号关闭进水控制阀，其中输出使进水控制阀打开的控制信号的时刻为气体流量计算的起始点；B、之后进入处理等待阶段，当检测到的CO2和甲烷气体的流量之和低于第三阈值时，污水处理自动控制装置输出控制信号同时使进水控制阀处于高流量状态、排水控制阀处于低流量状态；C、经过第二预定时间间隔后再次输出控制信号关闭进水控制阀和排水控制阀。0010首次执行封闭处理模式从步骤1进入，之后循环步骤2和3实现最优化的污水处理效果。优选所述第三阈值低于第一阈值和第二阈值。0011所述第一预定时间间隔为1分钟至1小时，优选1分钟、2分钟、5分钟、10分钟、15分钟、30分钟。0012所述。
18、第二预定时间间隔视电解池的容量以及进水、排水的速率而定，可以为10秒至1小时，优选10秒、20秒、30秒、1分钟、2分钟、5分钟、10分钟、15分钟、45分钟。0013本发明的微生物电解池壳体采用有机玻璃、PVC、玻璃、钢筋混凝土或碳钢材质制成。0014本发明所述的阴极电极为碳纤维刷，阳极电极采用碳纤维刷、网状玻璃碳或颗粒石墨，且在阴极电极的表面附着电化学活性产甲烷菌METHANOBACTERIUMPALUSTRE，阳极电极表面附着电化学活性微生物。0015本发明所述的阴极电极的电位为05V15V，所述的直流稳压电源的直流输出说明书CN104230003A3/5页6电压为20V20V。0016。
19、本发明所述装置为连续操作，污水脱氧气后经进水管、布水器依次流经微生物电解池壳体内的阳极电极和阴极电极，然后经排水管流出，而所产生的CO2和CH4等气体经气体收集管排出并收集。0017污水处理通过污水进水管将除氧气的有机物污水注入微生物电解池内作为阳极产电微生物生长的营养源，阳极产电微生物对污水中的有机物进行分解代谢，实现污水处理。0018CO2捕获与转化阳极产电微生物对污水中的有机物进行分解代谢时产生CO2、H及电子迁移到阴极，在电辅助下阴极电极表面附着的电活性产甲烷菌捕获CO2，催化CO2、H及电子转化为甲烷。附图说明0019图1为本发明的整体结构示意图。具体实施方式0020下面结合附图对本。
20、发明作进一步详细说明。0021参见图1，本发明装置包括采用有机玻璃、PVC、玻璃或混凝土等材质制成的微生物电解池壳体1，在微生物电解池壳体1内设置有阳极电极8和阴极电极4，阴极电极4和阳极电极8分别通过钛丝5和钛丝7与外接直流稳压电源6的低电位端和高电位端相连，直流稳压电源6为太阳能发电和辅助电源相结合，平时以太阳能发电作为直流稳压电源，当太阳能发电所产生的电能不足以维持微生物电解池运行时，开启辅助电源。所述的阴极电极4为碳纤维刷，阳极电极8采用碳纤维刷、网状玻璃碳或颗粒石墨，且在阴极电极4的表面附着METHANOBACTERIUMPALUSTRE等电化学活性产甲烷菌，阳极电极8表面附着产电微。
21、生物，微生物电解池壳1的下端侧面设有进水管9，进水管9与布水器10相连，微生物电解池壳体1底端设有污泥排放管11和阀12，微生物电解池壳体1上端侧面设有排水管2，微生物电解池壳体1顶端设有气体收集管3。0022阳极电极8表面附着的产电微生物代谢污水中的有机物产生CO2、H及电子；产生的CO2、H及电子迁移到阴极，在电辅助下阴极电极4表面附着的METHANOBACTERIUMPALUSTRE等电活性产甲烷菌捕获CO2，催化CO2、H及电子转化为甲烷。本发明具有污水处理和CO2资源化利用相结合的特点。0023本发明提出的集污水处理、CO2捕捉及产甲烷于一体的生物电化学系统的启动过程如下（1）生物阴。
22、极制作将电活性产甲烷菌METHANOBACTERIUMPALUSTRE首先用ATCC指定使用的专用培养基ATCCMEDIUM2487的500ML带厚橡胶塞血清瓶中厌氧培养H2CO2（8020，V/V）。在接种到微生物电解池前，取250ML上述培养液离心后再将浓缩物悬浮分散到无氧气、灭菌的ATCCMEDIUM2487培养基中，然后将上述细胞悬液接种到厌氧的微生物电解池，并立即鼓充CO2，直流稳压电源的电压固定为09V。在电辅助下，通过微生物电解池阴极表面附着的电活性产甲烷菌METHANOBACTERIUMPALUSTRE的催化作用将CO2气体还原为CH4。定期对微生物电解池的电流数据进行采样，待。
23、微生物电解池的电流最大且稳说明书CN104230003A4/5页7定后，认为电活性产甲烷菌METHANOBACTERIUMPALUSTRE在阴极电极表面充分附着，生物阴极的制作完成；（2）生物阳极制作以污水处理厂的厌氧活性污泥为接种物，以污水处理厂的初沉溢流液为培养基，纯氮气除氧气后按19（V/V）的比例接种微生物电解池富集阳极产电微生物。微生物电解池为批次操作，每次实验结束后按上述比例加入接种物与培养基的混合液。直流稳压电源的电压固定为09V，定期对微生物电解池的电流数据进行采样，待微生物电解池的电流最大且稳定后，认为在阳极电极表面充分附着了产电微生物，此时生物阳极极的制作完成；（3）待生物。
24、阴极和生物阳极制作完成后，将待处理的有机污水除去氧气后经进水管、布水器依次流经微生物电解池内的阳极电极和阴极电极，然后经微生物电解池排水管流出，同时直流稳压电源的电压固定为09V。阳极电极表面附着的产电微生物代谢污水中的有机物产生CO2、H及电子，产生的CO2、H及电子迁移到阴极，同时在电辅助下阴极电极表面附着的METHANOBACTERIUMPALUSTRE等电活性产甲烷菌捕获CO2，催化CO2、H及电子转化为甲烷，具体化学反应方程式如下阳极电极阴极电极而所产生的CO2和CH4等气体经气体收集管排出并收集。在装置运行过程中产生的污泥通过微生物电解池下端排污泥管排出，以防止微生物电解池堵塞。0。
25、024所述微生物电解池装置还包括设置于进水管9处用于控制污水进水流量和/或通断的进水控制阀（附图中未示出）、设置于排水管2处用于控制排水流量和/或通断的排水控制阀、设置于气体收集管处用于检测气体成分和流量的气体监测装置、污水处理自动控制装置以及用于输入控制指令的人机操作面板；气体监测装置和人机操作面板连接到污水处理自动控制装置的信号输入端，进水控制阀、排水控制阀以及污泥排放阀连接到污水处理自动控制装置的信号输出端；所述污水处理自动控制装置可以为现有的计算机或单片机。0025所述微生物电解池装置具有连续处理模式和封闭处理模式；连续处理模式是所述装置的默认工作模式，在此模式下，污水处理自动控制装置。
26、根据气体监测装置获取的气体成分和流量信息，判断微生物电解的效率，从而控制进水控制阀、排水控制阀保持适当的流量，即当检测到的CO2和甲烷气体的流量之和高于第一阈值时，输出控制信号使进水控制阀、排水控制阀处于高流量状态，当检测到的CO2和甲烷气体的流量之和低于第二阈值时，输出控制信号使进水控制阀、排水控制阀处于低流量状态。此外，污水处理自动控制装置按照第一预定时间间隔输出控制信号打开污泥排放阀。该连续处理模式的优点在于能够以可接受的污水处理效果实现高效的污水处理。0026封闭处理模式旨在于达到最高的污水处理效果，此模式的具体步骤为A、污水处理自动控制装置首先输出控制信号使进水控制阀打开而排水控制阀。
27、关闭，当污水流量接近电解池的体积时，污水处理自动控制装置输出控制信号关闭进水控制阀，其中输出使进水控制阀打开的控制信号的时刻为气体流量计算的起始点；B、之后进入处理等待阶段，当检测到的CO2和甲烷气体的流量之和低于第三阈值时，污水处理自动控制装置输出控制信号说明书CN104230003A5/5页8同时使进水控制阀处于高流量状态、排水控制阀处于低流量状态；C、经过第二预定时间间隔后再次输出控制信号关闭进水控制阀和排水控制阀。0027首次执行封闭处理模式从步骤1进入，之后循环步骤2和3实现最优化的污水处理效果。优选所述第三阈值低于第一阈值和第二阈值。0028本发明装置集污水处理、CO2捕获及产甲烷于一体，具有结构简单、建造成本低，且易规模放大等特点。此外，污水依次流经阳极区和阴极区，避免了在阴极添加电化学活性产甲烷菌培养基，降低了成本。因此本装置在有机污水能源化利用方面具有很好的应用前景。0029最后应说明的是显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。说明书CN104230003A1/1页9图1说明书附图CN104230003A。