一種空化‑微生物燃料電池反應器及其處理廢水的方法與流程

2023-09-12 14:18:45 4

本發明屬於微生物燃料電池技術領域，尤其涉及一種空化-微生物燃料電池反應器及其處理廢水的方法。

背景技術：

隨著全球經濟的快速增長，能源短缺和環境汙染的壓力急劇增大，對人類社會可持續發展構成了嚴重威脅。微生物燃料電池可利用微生物為催化劑將化學能直接轉化為電能，是一種新的清潔能源生產技術，已成為當前能源和環境領域的研究熱點。

微生物燃料電池(Microbial Fuel Cells，MFCs)是以微生物為催化劑，將環境中汙染物轉化為電能的技術。這種兼具環境汙染治理與廢物能源化利用的革新技術已被應用於多種汙染物如各種工業廢水和生活廢水、垃圾滲濾液、氯代有機物等的降解研究，顯示出較好的應用前景。

廢水中含有許多汙染物，蘊含大量化學能。利用MFCs技術來處理廢水，不僅可以治汙，而且可以回收電能，它是廢水處理技術的重大創新。由於有機汙染物是廢水中的主要汙染物，因此人們首先在利用MFCs處理有機廢水方面開展了大量研究，並取得了重大進展。

現階段微生物燃料電池存在以下缺點：產點菌的電子傳遞效率低，需要額外添加電子中介體來強化電子傳遞，中介體大多有毒且價格昂貴；以空氣作為電子受體時，雖然廉價易得，但其氧化還原速率低，需在陰極負載重金屬催化劑；產電基質為有機物，電導率低，電池內阻大，產電效率低。

當液體溫度一定，壓力降低到該液體飽和蒸汽壓時，會產生汽化現象，同時溶解於液體中的氣體析出，形成汽泡(又稱空泡、空穴)，當汽泡隨水流運動到壓力較高的地方後，泡內的蒸汽重新凝結，汽泡潰滅。這種液流內的空泡產生、發展、潰滅，以及由此產生的一系列物理和化學變化過程稱為空化。空化發生時，液體的分子鍵會產生強烈的爆裂，空泡潰滅瞬間形成局部的高溫和高壓，並伴有強烈的衝擊波和微射流。空化形成的特殊能量效應，能夠對化學及物理反應過程起到強化作用。

技術實現要素：

本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種空化-微生物燃料電池反應器及其處理汙水的方法。

一種空化-微生物燃料電池反應器，包括反應器本體(1)、原水箱(2)、進水泵(3)、空化發生器(4)、微生物燃料電池組件(5)、進水口(6)、布水隔板(7)、出水口(8)；其特徵在於：原水箱(2)通過進水泵(3)與反應器本體(1)的進水口(6)連接，所述進水口(6)設置在反應器本體(1)的下部，其布置為多個垂直於反應器本體(1)的進水通道並通過多組豎直管道(9)與布水隔板(7)上的通孔(10)相對應，其中所述的多組豎直管道(9)與布水隔板通孔數量相同且同軸設置，每個豎直管道(9)口處設置一空化發生器(4)，所述空化發生器(4)的出水口孔徑大於通孔(10)的孔徑設置；微生物燃料電池組件(5)設置於布水隔板(7)的上方，其包括多片陰極板(11)和陽極板(12)，每組陰極板(11)和陽極板(12)通過導線連接，陽極板上負載有微生物(13)；出水口(8)設置於反應器本體(1)的右上方，出水口(8)上設置溢流堰(14)；所述陰極板(11)和陽極板(12)之間設置有離子交換膜(15)。

所述陽極板(11)和陰極板(12)的材質為石墨板或活性炭；所述每組陰極板(11)與陽極板(12)的極板間距為10-12cm。

所述的陽極板(12)上沉積有蒽醌-2,6-二磺酸鈉。

所述微生物選自希瓦氏菌、紅育菌或假單胞菌。

必要時，可在池底增加超聲波發生裝置，增強空化效果。

所述布水隔板通孔(10)的孔徑設置為空化發生器(4)的出水口孔徑的1/3-2/3；所述布水隔板(7)與陰極板(11)、陽極板(12)間的垂直間距為20-30cm。

進一步地，本發明提供一種利用上述微生物燃料電池處理廢水的方法，其特徵在於，所述方法如下：

待處理廢水通過進水泵由原水箱進入空化-微生物燃料電池反應器的底部，經底部設置的多組空化發生器作用，增加廢水中電子的傳遞，而後廢水經上部微生物燃料電池作用，去除汙水中的有機物，處理後廢水經上方的溢流堰溢流出水。

所述待處理廢水中氨氮NH4+-N含量為50-500mg/L，炭氮比C/N為0.4：1-9：1，反應溫度為25℃-40℃。

所述的廢水為印染廢水、啤酒廢水、養殖廢水。

在主反應區內，廢水溶解氧DO值小於等於1.2mg/L。

經過處理後的廢水COD去除率大於94.5％，總氮的去除率大於95.3％。

本發明的有益效果如下：

(1)本發明設置了多組陰極和陽極電池板，增加了微生物燃料電池的接觸反應面積，並且易於更換及檢修；

(2)將微生物燃料電池與水力空化相結合，綜合了兩種技術的優勢，利用水力空化作用，增強廢水中的電子傳遞以及增強攪動，強化微生物燃料電池的處理效果，提高汙染物的去除率；

(3)通過對進水方式的特殊改進，使得進水更為均勻的分布於反應器；同時，通過進水口與進水隔板的特殊配合，使得進水分布更為合理，利於反應器作用的最大化；

(4)隔板通孔的孔徑設置為空化發生器的出水口孔徑的1/3-2/3，布水隔板與陰極板、陽極板間的垂直間距為20-30cm，達到最優化設計，大大提高了廢水中COD和總氮的去除率。

【附圖說明】

圖1是本發明空化-微生物燃料電池反應器的結構示意圖。

圖中：1反應器本體；2原水箱；3進水泵；4空化發生器；5微生物燃料電池組件；6進水口；7布水隔板；8出水口；9豎直管道；10通孔；11陰極板；12陽極板；13微生物；14溢流堰；15離子交換膜。

【具體實施方式】

下面通過具體的實施例對本發明進一步說明，應當指出，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干變型和改進，這些也視為屬於本發明的保護範圍。

實施例1：

如圖1所述，一種空化-微生物燃料電池反應器，包括反應器本體1、原水箱2、進水泵3、空化發生器4、微生物燃料電池組件5、進水口6、布水隔板7、出水口8；其特徵在於：原水箱2通過進水泵3與反應器本體1的進水口6連接，所述進水口6設置在反應器本體1的下部，其布置為多個垂直於反應器本體1的進水通道並通過多組豎直管道9與布水隔板7上的通孔10相對應，其中所述的多組豎直管道9與布水隔板通孔數量相同且同軸設置，每個豎直管道9口處設置一空化發生器4，所述空化發生器4的出水口孔徑大於通孔10的孔徑設置；微生物燃料電池組件5設置於布水隔板7的上方，其包括多片陰極板11和陽極板12，每組陰極板11和陽極板12通過導線連接，陽極板上負載有微生物13；出水口8設置於反應器本體1的右上方，出水口8上設置溢流堰14；所述陰極板11和陽極板12之間設置有離子交換膜15。所述陽極板11和陰極板12的材質為石墨板或活性炭；所述每組陰極板11與陽極板12的極板間距為10cm；所述的陽極板12上沉積有蒽醌-2,6-二磺酸鈉，所述布水隔板通孔10的孔徑為2cm，所述空化發生器4的出水口孔徑的3cm；所述布水隔板7與陰極板11、陽極板12間的垂直間距為22cm。

實施例2：

與實施例1前述基本相同，區別在於：所述每組陰極板11與陽極板12的極板間距為11cm；所述的陽極板12上沉積有蒽醌-2,6-二磺酸鈉，所述布水隔板通孔10的孔徑為1cm，所述空化發生器4的出水口孔徑的3cm；所述布水隔板7與陰極板11、陽極板12間的垂直間距為25cm。

實施例3：

待處理廢水為印染廢水，其進水氨氮NH4+-N含量為300mg/L，炭氮比C/N為5:1，反應溫度為28℃。待處理廢水通過進水泵由原水箱進入空化-微生物燃料電池反應器的底部，經底部設置的多組空化發生器作用，增加廢水中電子的傳遞，而後廢水經上部微生物燃料電池作用，去除汙水中的有機物，處理後廢水經上方的溢流堰溢流出水。在主反應區內，廢水溶解氧DO值為1.0mg/L。經過處理後的廢水COD去除率為96.3％，總氮的去除率大於97.5％。

實施例4：

待處理廢水為啤酒廢水，其進水氨氮NH4+-N含量為425mg/L，炭氮比C/N為3:1，反應溫度為30℃。待處理廢水通過進水泵由原水箱進入空化-微生物燃料電池反應器的底部，經底部設置的多組空化發生器作用，增加廢水中電子的傳遞，而後廢水經上部微生物燃料電池作用，去除汙水中的有機物，處理後廢水經上方的溢流堰溢流出水。在主反應區內，廢水溶解氧DO值為0.9mg/L。經過處理後的廢水COD去除率為98.1％，總氮的去除率大於96.4％。

上述僅為本發明優選的實施例，並不限制於本發明。對於所述領域的技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其他不同形式的變化或變動。這裡無需也無法對所有的實施例來舉例說明。而由此方案所引申出的顯而易見的變化或變動仍處於本發明的保護範圍之內。