糞便黑水處理裝置的制作方法

本發明屬于環境工程領域，涉及一種糞便黑水處理裝置。

背景技術：

糞便黑水是指人類排泄物的混合污水，主要由糞便和尿液組成。其中不僅含有大量氮磷元素，也含有多種未完全消化的有機物，甚至還含有大量病原菌和寄生蟲卵，處理不當則容易造成較嚴重的環境污染。

現有的糞便黑水處理技術主要包括漚肥、化糞池厭氧消化處理、混凝處理以及膜生物反應，這些處理技術中都需要應用微生物對其中的有機物進行分解，減少其中的污染物質后再進行后續處理。

一般情況下，由于不同微生物所能分解的物質種類不同，并且這些不同微生物的生長所需環境相差較大，因此同一個微生物分解容器(例如化糞池)內的微生物處理結束后，糞便黑水中仍殘留較多有機物等污染物質，無法直接排放，必須采用后續處理使其無害化。

現有技術中出現了一種用于進行微生物分解的厭氧折流板反應器(ABR)，具有多個相互連通的隔室。從結構上看，這種厭氧反應器相當于多個升流式污泥反應床(UASB)的串聯，由于不同隔室中的理化環境可以不相同，因此能夠使生長環境不同的菌群(例如產酸菌群和產甲烷菌群)在不同隔室中同時生長，并且先后對污水進行處理，其處理能力較強。

但是，在上述厭氧折流板反應器中，微生物所進行的都是厭氧分解，能夠對高濃度有機物進行處理并降低其中的有機物含量，但處理速度慢，也不能實現有機物的完全分解，其分解產物仍然需要一定的后續處理。

現有技術中還有其他利用微生物對有機物進行分解的技術，例如，微生物燃料電池(MFC)是利用微生物作為催化劑，電極為微生物附著載體，進行氧化分解廢水中有機物，同時產生電能而進行能量回收利用；微生物電解池(MEC)是利用外加電壓對微生物進行電刺激，加快其代謝作用，使有機物快速降解的裝置。這兩類裝置都能夠對有機物進行更加徹底的分解，其中MEC還能夠快速地完成有機物分解過程。但是，MFC所產生的電能通常較低，難以作為一般供電源應用，容易造成電能浪費；MEC則需要持續地外加電壓，需要消耗電能。另外，這兩種裝置對污水來源也有一定要求，若其中有機物含量過高、pH范圍不合適，則難以進行有效的處理。

技術實現要素：

為解決上述問題，提供一種高效、快速并且能徹底分解糞便黑水中有機物的裝置，本發明采用了如下技術方案：

本發明提供了一種糞便黑水處理裝置，其特征在于，包括：厭氧折流板反應室(ABR)，容納有厭氧微生物，具有用隔板隔開并且依次連通的多個隔室；微生物電解室(MEC)，具有用陰離子交換膜隔開的微生物電解陽極室和微生物電解陰極室，微生物電解陽極室及微生物電解陰極室分別與相鄰的兩個隔室連通并且分別接收隔室流出的液體；微生物發電室(MFC)，具有用陰離子交換膜隔開的MFC陽極室和MFC陰極室，MFC陽極室與另一個隔室連通并且接收該隔室流出的液體，MFC陰極室分別與MEC陽極室、MEC陰極室以及MFC陽極室連通，接收流出的液體并通過設置在MFC陰極室上的出水口將處理后的水排出，其中，MFC室的電路與MEC室的電路通過二極管連接，使MFC室所產生的電流單向流向MEC室，提供MEC室中所需要的電能。

本發明提供的糞便黑水處理裝置，還可以具有如下技術特征：其中，隔室中的任意兩個內分別設置有厭氧反應室電極，MFC室的電路還通過導線與厭氧反應室電極連通，使MFC室所產生的電流部分流向厭氧折流板反應室，對厭氧折流板反應室內的厭氧微生物產生電刺激。

本發明提供的糞便黑水處理裝置，還可以具有如下技術特征：其中，隔室的數量為四個，其容積比為1:1:1:0.8。

本發明提供的糞便黑水處理裝置，還可以具有如下技術特征：其中，四個隔室與MEC陽極室、MEC陰極室、MFC陽極室以及MFC陰極室的容積比為1:1:1:0.8:1:1:1:1。

本發明提供的糞便黑水處理裝置，還可以具有如下技術特征：其中，MEC陰極電極及MFC陰極電極均為致密鐵絲網，MEC陽極電極及MFC陽極電極均為鐵氧化物涂層石墨氈。

本發明提供的糞便黑水處理裝置，還可以具有如下技術特征：其中，致密鐵絲網的長度為10cm，寬度為8cm，厚度為0.5cm，其中鐵絲網孔徑小于0.5cm；石墨氈的長度為10cm，寬度為8cm，厚度為1cm。

本發明提供的糞便黑水處理裝置，還可以具有如下技術特征：其中，隔板上設置有45°倒角。

發明作用與效果

根據本發明所提供的糞便黑水處理裝置，由于MEC室及MFC室分別與ABR室的隔室相連通，能夠接收經過ABR室進行了一定處理的污水并進行進一步分解處理，因此能夠快速地對糞便黑水進行較為徹底的處理。另外，MFC室所產生的電流能夠通過二極管單向流向MEC室，提供MEC室中所需的電能，因此本發明的處理裝置能夠原位利用MFC室所產生的微生物弱電，無需額外附加電壓刺激裝置，節省電能。在本發明的一種結構中，MFC室所產生的電流還部分流向了ABR室，對其中的厭氧微生物產生了一定電刺激，促進這些厭氧微生物生長，進一步提高了厭氧微生物的分解效率。

附圖說明

圖1是本發明實施例的糞便黑水處理裝置結構示意圖；

圖2是本發明實施例的糞便黑水處理裝置的流向示意圖；

圖3是本發明實施例的糞便黑水處理裝置電路結構示意圖；

圖4是本發明實施例的糞便黑水處理裝置處理后的出水COD圖。

具體實施方式

以下結合附圖及實施例來說明本發明的具體實施方式。

<實施例>

圖1是本發明實施例的糞便黑水處理裝置結構示意圖。

如圖1所示，糞便黑水處理裝置100包括厭氧折流板反應室(即ABR室)101、微生物電解室(即MEC室)102、微生物發電室(即MFC室)103以及恒溫機構104。

圖2是本發明實施例的糞便黑水處理裝置的流向示意圖。

如圖1及圖2所示，本實施例中，ABR室101包括四個隔室，分別為第一隔室1、第二隔室2、第三隔室3及第四隔室4。四個隔室之間均用具有45°倒角的隔板隔開，并且依次相互連通。ABR室101的上方還設置有集氣管23，具有四根支管，該四根支管分別從各個隔室的頂部伸入隔室，收集各個隔室中微生物分解所產生的氣體，并通過集氣管23輸送至集氣袋24。第一隔室1的側壁上設置有進水口，該進水口通過水管與一個輸入泵16連通，用于將待處理的糞便黑水輸入第一隔室1中。

MEC室102包括用質子交換膜隔開的MEC陰極室7和MEC陽極室8。MEC陽極室8與第四隔室4連通，接收第四隔室流出的液體；MEC陰極室7與第三隔室3連通，接收第三隔室3流出的液體。

MFC室103位于MEC室102的一側，包括用質子交換膜隔開的MFC陽極室6和MFC陰極室5。MFC陽極室6與第二隔室2連通，接收第二隔室2流出的液體；MFC陰極室5分別與MFC陽極室6、MEC陰極室7以及MEC陽極室8連通，接收這三個反應室中流出的液體，并從出口將處理后的水排出。MEC陽極室8和MFC陽極室6相鄰但并不連通，中間用一塊隔板25完全隔開。

MEC陰極室7中設置有第一陰極電極22，MEC陽極室8中設置有第一陽極電極21，MFC陰極室5中設置有第二陰極電極19，MFC陽極室6中設置有第二陽極電極20。第一陽極電極21和第二陽極電極20均為鐵氧化物涂層石墨氈，其長度為10cm，寬度為8cm，厚度為1cm；第一陰極電極22和第二陰極電極19均為孔徑小于0.5mm的致密鐵絲網，其長度為10cm，寬度為8cm，厚度為0.5cm。

其中，鐵絲網在使用前先采用5％的硫酸反復清洗3-4次；鐵氧化物涂層石墨氈在使用前經丙酮浸泡一個小時，再使用純水進行沖洗至中性。另外，陰離子交換膜在使用前先用飽和的氯化鈉溶液浸泡24小時后，再用純水沖洗5-8次。

圖3是本發明實施例的糞便黑水處理裝置電路結構示意圖。

如圖1及圖3所示，MFC室103的電路與MEC室102的電路通過一個二極管18連接，使MFC室103所產生的電流單向流向MEC室102，提供MEC室102中所需要的電能。

另外，如圖3所示，ABR室101還具有兩個厭氧反應室電極26，分別設置在第一隔室1和第二隔室4內。該兩個厭氧反應室電極26均為與第一陽極電極22、第二陽極電極23尺寸及預處理方法相同的鐵氧化物涂層石墨氈。

具體電路如圖3所示，第一陰極電極22和第二陰極電極19直接通過導線連接，第一陽極電極21和第二陽極電極20通過二極管18連接，使電流只能從第二陽極電極20流向第一陽極電極21。第二陰極電極19還通過一個電阻17與第二陽極電極20相連接，形成發電電路。另外，第二陰極電極19、第二陽極電極20還分別通過導線與兩個厭氧反應室電極26連接，使一部分電流流至ABR室101內，形成一定的電刺激，促進其中的厭氧微生物生長。

在本實施例中，電極之間的連接均通過直徑為0.5cm的鈦絲來實現。另外，如圖1所示，各個電極還分別與數據采集器14相連接，數據采集器14收集電路中的電壓及電流數據，并將這些數據傳送給電腦進行處理。

恒溫機構104包括恒溫水浴鍋10、提升泵15和散熱片11。散熱片11設置在ABR室101的外壁上，內部具有蛇形分布的水管，這些水管的進水口與提升泵15連通、出水口與恒溫水浴鍋10連通。提升泵15將恒溫水浴鍋10中的熱水輸送至散熱片11內以后，熱水散發熱量使ABR室101中始終保持一定溫度。第一隔室1中還設置有溫度計12，用于實時監測其中的溫度。

本實施例中，各反應室的尺寸如下：糞便黑水處理裝置100的整體尺寸為640cm×320cm×220cm；ABR室101的整體尺寸為640cm×180cm×220cm，其有效容積為28L，第一隔室1、第二隔室2、第三隔室3、第四隔室4、MEC陽極室8、MEC陰極室7、MFC陽極室6以及MFC陰極室5之間的容積比為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陰極室5、MFC陽極室6、MEC陰極室7以及MEC陽極室8的有效容積均為4.8L，第四隔室4的有效容積為3.84L。

以下結合附圖說明本實施例的糞便黑水處理裝置100的工作過程。

如圖1及圖2所示，將輸入泵16打開，待處理的糞便黑水通過輸入泵16被泵入第一隔室1，隨后流入第二隔室2。在第二隔室2中的液體一部分流向MFC陽極室6，另一部分流向第三隔室3；第三隔室3中的液體一部分流向MEC陽極室7，另一部分流向第四隔室4；第四隔室4的液體流向MEC陰極室8。MEC陰極室8、MEC陽極室7以及MFC陽極室6中的液體最終流入MFC陰極室5，最后從設置在MFC陰極室5側壁上的出口流出。

上述過程中，微生物在各個反應室中生長所需的溫度由恒溫機構104來保持。本實施例中，恒溫水浴鍋10的溫度設定為35℃。另外，糞便黑水在裝置中的HRT(即水力停留時間)通過調節輸入泵16的流速來進行調整。

采用本實施例的糞便黑水處理裝置100分別對模擬糞便黑水和實際糞便黑水進行處理。其中，模擬糞便黑水采用自來水配制，COD(即化學需氧量)為1500mg/L，NH₃-N為120mg/L，PO₄³-P為15mg/L，pH為7.2；實際糞便黑水來源為上海楊浦國順東路25號學生宿舍區公共廁所的集水池，其COD為729mg/L，NH₃-N為79mg/L，PO₄³-P為12mg/L，pH為7.6。

圖4是本發明實施例的糞便黑水處理裝置處理后的出水COD圖，圖4中所示出的為對模擬糞便黑水的處理結果。

如圖4所示，在HRT為48小時的條件下，本實施例的糞便黑水裝置100對模擬糞便黑水的處理效果較好，其出水的平均COD為45mg/L，去除率為97％；NH₃-N為34mg/L，去除率為71.6％；PO₄³-P為6mg/L，去除率為60％。因此，對水的處理效果較好。MFC室103的電路電壓持續穩定在0.5-0.65V，產電效果良好。

另外，在HRT為48小時的條件下，本實施例的糞便黑水處理裝置100對實際糞便黑水的處理結果為：出水的平均COD為27mg/L，去除率為96.3％；NH₃-N為23mg/L，去除率為70.8％；PO₄³-P為4.3mg/L，去除率為64.2％。因此，對水的處理結果與模擬糞便黑水相近，同樣達到了較好的處理效果。

實施例作用與效果

根據本實施例所提供的糞便黑水處理裝置，由于MEC室及MFC室分別與ABR室的隔室相連通，能夠接收經過厭氧折流反應室進行了一定處理的污水并進行進一步分解處理，因此能夠快速地對糞便黑水進行較為徹底的處理。在HRT為48小時的條件下，本實施例的處理裝置對模擬糞便黑水和實際糞便黑水都能達到良好的處理效果，其有機物和氮磷元素的去除率都較為理想。

另外，MFC室所產生一部分微生物弱電回到ABR刺激厭氧微生物生長，提高厭氧降解效率，一部分微生物弱電用于組成MEC深度削減污染物，因此本實施例的處理裝置無需額外附加電壓刺激裝置，并且其中厭氧微生物的降解效率較高。