CN107601673A - 一种用于废水处理的微生物燃料电池耦合复合流人工湿地系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于废水处理的微生物燃料电池耦合复合流人工湿地系统，包括池体及设置于池体内的若干隔板，所述隔板将池体均分成若干个串联单元；废水在各个串联单元之间呈上升流和下行流交替模式，废水依次流经各个串联单元，并与产电微生物、自制生物亲和性填料及湿地植物根系充分接触，达到酒精废水中有机污染物被吸附降解去除。本发明中微生物燃料电池电极材料为自制电极片，提高了电池产电和污水处理效率，加之湿地自制生物亲和性填料的全新应用，提高了人工湿地的处理负荷。系统总体上实现治污与产能、储能、综合利用的结合，具有结构简单合理，处理效率高，运行维护成本低等优点。

Description

一种用于废水处理的微生物燃料电池耦合复合流人工湿地 系统

技术领域

本发明属于有机废水处理技术领域，具体涉及一种用于废水处理的微生物燃料电池耦合复合流人工湿地系统。

背景技术

随着现代技术的发展，酒精不再仅仅用于酒的生产，而广泛应用在食品、化工、医疗等行业。与此同时，我国正积极开发乙醇汽油作为汽车燃料，酒精产量会越来越高，随着酒精生产和用量的增多，其生产过程中产生的酒精废水已成为最严重的水体污染源之一。酒精废水化学需氧量（COD）浓度高达20000~30000 mg/L以上，悬浮物（SS）含量可达40000mg/L，还有含氮化合物、生物菌及有机酸等污染物，成分复杂，处理难度大。

但由于酒精废水可生化性较高，易于生物降解，传统的处理方法有厌氧生物处理、好氧生物处理及其组合工艺等，能实现酒精废水的处理，但上述方法的缺点是处理后的酒精废水其COD浓度依然较高，即使达标排放仍会对地表水体造成较严重污染。因此，开发高效深度处理酒精废水的新方法迫在眉睫。

与传统的水处理方法相比，微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，MFC）是一种高效的生物处理方法，为酒精这类高浓度有机废水的深度处理提供了一个新思路。MFC利用产电微生物将有机物中的化学能直接转化为电能，实现治污与产能有机结合。其工作原理是：产电微生物聚集在阳极室，在厌氧的条件下分解有机物产生质子和电子；电子通过外电路到达阴极，质子通过质子交换膜或其他介体到达阴极，两者与阴极的溶解氧发生反应产生水，从而完成整个氧化还原反应过程，整个过程实现无碳排放，且在处理污水的同时产生了新的能源。

人工湿地系统是一种综合的生态修复系统，在促进废水中污染物质良性循环的前提下，防止环境的再污染，实现资源化。有研究表明，生物产电能实现污水中有机物的分解去除，故本发明将MFC和复合流人工湿地有机耦合，且配备电能储存、利用装置，既提高了传统人工湿地的处理效率和水力负荷，提升污水处理效果，又在治污的同时实现了能源的产生、收集及利用，节约用地，经济高效，可有效的解决水污染和能源短缺的问题，应用前景广泛。

发明内容

为了经济高效地处理废水，本发明的目的在于提供了一种用于废水处理的微生物燃料电池耦合复合流人工湿地系统，通过MFC耦合复合流人工湿地，实现治污与产能的有效结合。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于废水处理的微生物燃料电池耦合复合流人工湿地系统，包括池体及设置于池体内的若干隔板，所述隔板将池体均分成若干个串联单元；其中一个串联单元的侧壁上部设有进水口，进水口处连接有进水管，其中一个串联单元的侧壁上部设有出水口，出水口处连接有出水管，废水从进水口流入至出水口流出且依次流经所有的串联单元；沿废水流动方向，相邻两个串联单元之间的隔板的上部或底部设有供废水通过的输水孔，且输水孔呈上下交替设置；每个串联单元内均从下至上依次设有布水层、第一填料层、第二填料层及集水层，所述布水层及集水层均由粒径为10~20 mm的石砾铺设而成，所述第一填料层由生物亲和性填料铺设而成，所述第二填料层由导电填料铺设而成；第二填料层的下部设有阳极板，第二填料层的上部相对设有阴极板，所有串联单元的阳极板及阴极板依次串联并连接有电容器。

优选地，所述阳极板及阴极板均采用以下步骤制得：

（1）将成熟并晒干的八棱瓜果实用NaOH溶液浸泡以除去灰分，然后水洗至中性并烘干，放入管式电阻炉中，在氮气氛围下，于200~500℃炭化2~3 h；

（2）将步骤（1）所得产物放入稀盐酸中浸泡，然后固液分离，取固体干燥、研磨成粉状，得到主料粉；

（3）将步骤（2）所得主料粉、炭黑及聚四氟乙烯乳液混匀，再加入乙醇，搅拌5~15min，然后擀制成片状，再压制至厚度为2~4 mm，烘干，得到板材；其中，所述主料粉、炭黑、聚四氟乙烯乳液及乙醇的质量比85∶8~10∶4~6∶20~80；

（4）根据串联单元的截面形状修剪步骤（3）所得板材，即得。

进一步，步骤（1）中所述NaOH溶液的质量分数为20%~30%，浸泡时长为20~30 h；步骤（1）中所述管式电阻炉通入氮气的流速为0.4~0.6 L/min，电阻炉升温速率8~10℃/min；步骤（2）中所述稀盐酸的质量分数为5%~15%，浸泡4~6 h；步骤（3）中所述压制采用压力为9~11 MPa，持续时间30~40 min。

优选地，所述生物亲和性填料采用以下步骤制得：

1）将成熟并晒干的八棱瓜果实剪成边长为7~13 mm的块状，加水煮沸1.5~2.5 h，静置浸泡0.5~1.5 h；然后固液分离，取固体烘干、灭菌，得到备料1；

2）将砖块破碎、过筛，得到粒径为10~15 mm的备料2；

3）将备料1、备料2、粉煤灰及黏土混匀，加水调制成浆，得到浆料；其中，备料1、备料2、粉煤灰、黏土及水的质量之比为1.5∶0.8~1.2∶0.5~0.9∶0.3~0.7∶2.0~4.3；

4）将步骤3）所得浆料加入直径为10~20 mm的球形模具中，静置10~30 min，形成球状坯；

5）待球状坯直接凝结，或在球状坯表面均匀喷洒作为速凝剂的水玻璃，待球状坯凝结，即得；当喷洒水玻璃时，所述水玻璃的用量为浆料质量的1%~5%。

优选地，所述导电填料为石墨、活性炭或金属矿石，导电填料的粒径为1~10 mm。

优选地，所述进水口、出水口及输水孔处均设置有过滤网。

优选地，池体的上方设置有照明灯，所述照明灯与电容器相连接。

优选地，所述集水层上种植有湿地作物。

进一步，所述湿地作物为水葱、茭白及菖蒲中的一种或两种以上。

优选地，所述微生物燃料电池耦合复合流人工湿地系统用于处理酒精废水，当废水初始COD浓度为800~1100 mg/L时，水力负荷为0.2~0.5 m³/m²•d。

当COD浓度为800~1100 mg/L的酒精废水采用连续进水方式通过进水管进入第一个串联单元，依次通过布水层、第一填料层、第二填料层、集水层，然后通过隔板上的输水孔进入第二个串联单元，以此类推，最后由出水管排出，完成整个净化过程。在此过程中，产电微生物降解废水中的有机物，同时产生电子和质子，电子和质子在第二填料层内导电填料和废水的综合作用下进行高效转移，到达阴极后与来自空气中的溶解氧在阴极发生氧化还原反应；随着反应的持续进行，废水得到了净化，同时，湿地填料对污染物的截留作用为出水水质提供了保证；湿地植物吸取废水中的营养物质，利用根部微生物及植物根系达到进一步吸附拦截、过滤的目的。通过微生物、填料、植物的协同作用，使得最后出水中COD浓度为65~80 mg/L，COD去除率达到89%以上，BOD去除率达到90%以上，SS去除率达到88%以上，满足GB 8978-1996一级标准要求。所述微生物燃料电池耦合复合流人工湿地系统产生的电能通过电容器收集，实现资源的有效储存，便于利用。

本发明的有益效果为：

（1）MFC生物产电作用有助于废水中有机物的去除，若干个串联单元多级处理，提高了污水处理效率和水力负荷，通过废水和填料、产电微生物、植物的充分接触，有机物得到充分降解、过滤等，而且实现了较大电能的产生。

（2）阴极板及阳极板为自制材料，成本低廉，提高了传统电极材料的导电和集电性能，具有较大的比表面积，有利于微生物生长，提高系统电能输出和污水处理效率。

（3）生物亲和性填料所用原料（成熟并晒干的八棱瓜果实）可采用制备电极板材制备时修剪下来的废弃物，实现了以废治废，综合利用，填料的生物亲和性使复合流人工湿地和MFC起到相互促进作用，提升系统运行效果。

（4）通过电容器存储的电能可以灵活运用，比如应用于湿地照明、灌溉等系统，实现了资源的回收利用；比如电容器收集和储存的电能用于照明灯，夜间或阴天可补充湿地植物光照时间，促进植物更好生长。

（5）通过布水层的过滤，有效降低了酒精废水进水SS，有效避免湿地堵塞问题。

（6）该发明适用于有机物含量高的生活污水、工业废水等的深度处理，能大大地提升处理效果，具有构造简单合理，经济高效，便于管理维护等特点，同时实现无碳排放，符合绿色发展观要求，有望解决水污染和能源短缺两大问题，适合扩大规模推广应用。

说明书附图

图1是本发明的主视图；

图2是图1的俯视图；

图3是图2沿A-A线的剖面图；

图4是图2沿B-B线的剖面图；

图5是图2沿C-C线的剖面图；

图6是所有串联单元的阳极板及阴极板依次串联并连接电容器的电路连接示意图；

图7是实施例1所述微生物燃料电池耦合复合流人工湿地系统用于处理酒精废水的COD去除率曲线。

具体实施方式

为了使本发明的技术目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面结合具体实施例对本发明的技术方案作出进一步的说明，但所述实施例旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。

实施例1

如图1~6所示，一种用于废水处理的微生物燃料电池耦合复合流人工湿地系统（MFC-CFCW系统），包括圆柱形的池体，池体内设置有4个隔板10，所述隔板10将池体均分成4个串联单元。其中一个串联单元的侧壁上部设有进水口，进水口处连接有进水管1，其中一个串联单元的侧壁上部设有出水口，出水口处连接有出水管9；所述出水口的高度低于进水口的高度，从而形成水位差，有利于水的连续均匀流动，废水从进水口流入至出水口流出，沿逆时针方向依次流经所有的串联单元；沿废水流动方向，相邻两个串联单元之间的隔板10的上部或底部设有供废水通过的输水孔8，且输水孔8呈上下交替设置；所述进水口、出水口及输水孔8处均设置有过滤网。每个串联单元内均从下至上依次设有布水层2、第一填料层3、第二填料层5及集水层7，所述布水层2及集水层7均由粒径为10~20 mm的石砾铺设而成，所述第一填料层3由生物亲和性填料铺设而成，所述第二填料层5由导电填料铺设而成；第二填料层5的下部设有阳极板4，第二填料层5的上部相对设有阴极板6，所有串联单元的阳极板4及阴极板6依次串联并连接有电容器。池体的上方设置有照明灯，所述照明灯与电容器相连接。所述集水层7上种植有湿地作物11。

其中，MFC-CFCW系统的尺寸可设置为：底面半径10 cm、高50 cm；布水层2和集水层7的高度均为8 cm，第一填料层3的高度为6 cm，第二填料层5的高度为22 cm；阳极板4及阴极板6呈1/4圆形，且半径为6 cm；阴极板与阳极板间距为12 cm；输水孔8的尺寸为3 cm×3cm，当输水孔8位于隔板10的上部时，输水孔的中心距离池体上端口5 cm，当输水孔8位于隔板10的底部时，输水孔8的中心距离池体底面5 cm。

所述阳极板4及阴极板6均采用以下步骤制得：

（1）将成熟并晒干的八棱瓜果实用质量分数为25%的NaOH溶液浸泡25 h，以除去灰分，然后水洗至中性并烘干，放入管式电阻炉中，在氮气氛围下，于350℃炭化2.5 h；氮气的流速为0.5 L/min，电阻炉升温速率9℃/min；

（2）将步骤（1）所得产物放入质量分数为10%的稀盐酸中浸泡5 h，然后固液分离，取固体干燥、研磨成粉状，得到主料粉；

（3）将步骤（2）所得主料粉、炭黑及聚四氟乙烯乳液（60 wt%）混匀，再加入乙醇，搅拌10min，然后擀制成片状，再压制至厚度为3 mm，烘干，得到板材；其中，所述主料粉、炭黑、聚四氟乙烯乳液及乙醇的质量比85∶9∶5∶50；所述压制采用压力为10 MPa，持续时间35 min；

（4）根据串联单元的截面形状修剪步骤（3）所得板材，即得。

所述生物亲和性填料采用以下步骤制得：

1）将成熟并晒干的八棱瓜果实剪成边长为10 mm的块状，加水煮沸2 h，静置浸泡1 h；然后固液分离，取固体烘干、灭菌，得到备料1；

2）将砖块破碎、过筛，得到粒径为10 mm的备料2；

3）将备料1、备料2、粉煤灰及黏土混匀，加水调制成浆，得到浆料；其中，备料1、备料2、粉煤灰、黏土及水的质量之比为1.5∶1∶0.7∶0.5∶3；

4）将步骤3）所得浆料加入直径为15 mm的球形模具中，静置15min，形成球状坯；

5）待球状坯直接凝结，或在球状坯表面均匀喷洒作为速凝剂的水玻璃，待球状坯凝结，即得；当喷洒水玻璃时，所述水玻璃的用量为浆料质量的3%。

另外，所述导电填料为活性炭，导电填料的粒径为5 mm。所述湿地作物11为水葱。

设置3组MFC-CFCW系统作平行试验，将经过处理的酒精废水从进水管1进入MFC-CFCW系统，采用连续进水方式，水力停留时间1 d，处理量为13 L/d。对进水及第三个MFC-CFCW系统出水的各项指标进行检测，3组平行试验取平均值，结果如表1所示。

表1 进出水水指标

实施例2

保持实施例1所述MFC-CFCW系统的结构不变，仅改变阳极板4、阴极板6、生物亲和性填料、导电填料及湿地植物。

所述阳极板4及阴极板6均采用以下步骤制得：

（1）将成熟并晒干的八棱瓜果实用质量分数为20%的NaOH溶液浸泡30 h，以除去灰分，然后水洗至中性并烘干，放入管式电阻炉中，在氮气氛围下，于200℃炭化3 h；所述管式电阻炉通入氮气的流速为0.4 L/min，电阻炉升温速率8℃/min；

（2）将步骤（1）所得产物放入质量分数为5%的稀盐酸中浸泡6 h，然后固液分离，取固体干燥、研磨成粉状，得到主料粉；

（3）将步骤（2）所得主料粉、炭黑及聚四氟乙烯乳液（60 wt%）混匀，再加入乙醇，搅拌5min，然后擀制成片状，再压制至厚度为4 mm，烘干，得到板材；其中，所述主料粉、炭黑、聚四氟乙烯乳液及乙醇的质量比85∶8∶4∶20；所述压制采用压力为9 MPa，持续时间40 min；

（4）根据串联单元的截面形状修剪步骤（3）所得板材，即得。

所述生物亲和性填料采用以下步骤制得：

1）将成熟并晒干的八棱瓜果实剪成边长为7 mm的块状，加水煮沸1.5 h，静置浸泡0.5h；然后固液分离，取固体烘干、灭菌，得到备料1；

2）将砖块破碎、过筛，得到粒径为10 mm的备料2；

3）将备料1、备料2、粉煤灰及黏土混匀，加水调制成浆，得到浆料；其中，备料1、备料2、粉煤灰、黏土及水的用量之比为1.5∶0.8∶0.5∶0.3∶2.0；

4）将步骤3）所得浆料加入直径为10 mm的球形模具中，静置15min，形成球状坯；

5）待球状坯直接凝结，或在球状坯表面均匀喷洒作为速凝剂的水玻璃，待球状坯凝结，即得；当喷洒水玻璃时，所述水玻璃的用量为浆料质量的3%。

另外，所述导电填料为石墨，导电填料的粒径为2 mm。所述湿地作物11为茭白。

实施例3

保持实施例1所述MFC-CFCW系统的结构不变，仅改变阳极板4、阴极板6、生物亲和性填料、导电填料及湿地植物。

所述阳极板4及阴极板6均采用以下步骤制得：

（1）将成熟并晒干的八棱瓜果实用质量分数为30%的NaOH溶液浸泡20 h，以除去灰分，然后水洗至中性并烘干，放入管式电阻炉中，在氮气氛围下，于500℃炭化2 h；所述管式电阻炉通入氮气的流速为0.6 L/min，电阻炉升温速率10℃/min；

（2）将步骤（1）所得产物放入质量分数为15%的稀盐酸中浸泡4 h，然后固液分离，取固体干燥、研磨成粉状，得到主料粉；

（3）将步骤（2）所得主料粉、炭黑及聚四氟乙烯乳液（60 wt%）混匀，再加入乙醇，搅拌15min，然后擀制成片状，再压制至厚度为2 mm，烘干，得到板材；其中，所述主料粉、炭黑、聚四氟乙烯乳液及乙醇的质量比85∶10∶6∶80；所述压制采用压力为11 MPa，持续时间30 min；

（4）根据串联单元的截面形状修剪步骤（3）所得板材，即得。

所述生物亲和性填料采用以下步骤制得：

1）将成熟并晒干的八棱瓜果实剪成边长为13 mm的块状，加水煮沸2.5 h，静置浸泡1.5h；然后固液分离，取固体烘干、灭菌，得到备料1；

2）将砖块破碎、过筛，得到粒径为15 mm的备料2；

3）将备料1、备料2、粉煤灰及黏土混匀，加水调制成浆，得到浆料；其中，备料1、备料2、粉煤灰、黏土及水的用量之比为1.5∶1.2∶0.9∶0.7∶4.3；

4）将步骤3）所得浆料加入直径为20 mm的球形模具中，静置15 min，形成球状坯；

5）待球状坯直接凝结，或在球状坯表面均匀喷洒作为速凝剂的水玻璃，待球状坯凝结，即得；当喷洒水玻璃时，所述水玻璃的用量为浆料质量的3%。

另外，所述导电填料为金属矿石，导电填料的粒径为10 mm。所述湿地植物为菖蒲。

采用实施例2所述MFC-CFCW系统处理酒精废水，控制酒精废水COD浓度分别为800mg/L、900 mg/L，采用实施例3所述MFC-CFCW系统处理酒精废水，控制酒精废水COD浓度分别为1000 mg/L、1100 mg/L；按照实施例1中所述的处理方法（采用连续进水方式，处理量为13L/d），COD平均去除率如图7所示。

从图7可见，所述MFC-CFCW系统深度处理酒精废水的方法对酒精废水COD去除率在89%~93%之间，曲线波动不大，说明MFC-CFCW系统对污水中COD的去除效果具有一定的稳定性，且出水水质均能保证达到GB 8978-1996一级标准。

本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (10)

1.一种用于废水处理的微生物燃料电池耦合复合流人工湿地系统，其特征在于：包括池体及设置于池体内的若干隔板，所述隔板将池体均分成若干个串联单元；其中一个串联单元的侧壁上部设有进水口，进水口处连接有进水管，其中一个串联单元的侧壁上部设有出水口，出水口处连接有出水管，废水从进水口流入至出水口流出且依次流经所有的串联单元；沿废水流动方向，相邻两个串联单元之间的隔板的上部或底部设有供废水通过的输水孔，且输水孔呈上下交替设置；每个串联单元内均从下至上依次设有布水层、第一填料层、第二填料层及集水层，所述布水层及集水层均由石砾铺设而成，所述第一填料层由生物亲和性填料铺设而成，所述第二填料层由导电填料铺设而成；第二填料层的下部设有阳极板，第二填料层的上部相对设有阴极板，所有串联单元的阳极板及阴极板依次串联并连接有电容器。

2.根据权利要求1所述用于废水处理的微生物燃料电池耦合复合流人工湿地系统，其特征在于，所述阳极板及阴极板均采用以下步骤制得：

（1）将成熟并晒干的八棱瓜果实用NaOH溶液浸泡以除去灰分，然后水洗至中性并烘干，放入管式电阻炉中，在氮气氛围下，于200~500℃炭化2~3 h；

（2）将步骤（1）所得产物放入稀盐酸中浸泡，然后固液分离，取固体干燥、研磨成粉状，得到主料粉；

（3）将步骤（2）所得主料粉、炭黑及聚四氟乙烯乳液混匀，再加入乙醇，搅拌，然后擀制成片状，再压制至厚度为2~4 mm，烘干，得到板材；其中，所述主料粉、炭黑、聚四氟乙烯乳液及乙醇的质量比85∶8~10∶4~6∶20~80；

（4）根据串联单元的截面形状修剪步骤（3）所得板材，即得。

3.根据权利要求2所述用于废水处理的微生物燃料电池耦合复合流人工湿地系统，其特征在于：步骤（1）中所述NaOH溶液的质量分数为20%~30%，浸泡时长为20~30 h；步骤（1）中所述管式电阻炉通入氮气的流速为0.4~0.6 L/min，电阻炉升温速率8~10℃/min；步骤（2）中所述稀盐酸的质量分数为5%~15%，浸泡4~6 h；步骤（3）中所述压制采用压力为9~11 MPa，持续时间30~40 min。

4.根据权利要求1所述用于废水处理的微生物燃料电池耦合复合流人工湿地系统，其特征在于，所述生物亲和性填料采用以下步骤制得：

1）将成熟并晒干的八棱瓜果实剪成边长为7~13 mm的块状，加水煮沸1.5~2.5 h，静置浸泡0.5~1.5 h；然后固液分离，取固体烘干、灭菌，得到备料1；

2）将砖块破碎、过筛，得到粒径为10~15 mm的备料2；

3）将备料1、备料2、粉煤灰及黏土混匀，加水调制成浆，得到浆料；其中，备料1、备料2、粉煤灰、黏土及水的质量之比为1.5∶0.8~1.2∶0.5~0.9∶0.3~0.7∶2.0~4.3；

4）将步骤3）所得浆料加入球形模具中，静置10~30 min，形成球状坯；

5）待球状坯直接凝结，或在球状坯表面均匀喷洒作为速凝剂的水玻璃，待球状坯凝结，即得；当喷洒水玻璃时，所述水玻璃的用量为浆料质量的1%~5%。

5.根据权利要求1所述用于废水处理的微生物燃料电池耦合复合流人工湿地系统，其特征在于：所述导电填料为石墨、活性炭或金属矿石，导电填料的粒径为1~10 mm。

6.根据权利要求1所述用于废水处理的微生物燃料电池耦合复合流人工湿地系统，其特征在于：所述进水口、出水口及输水孔处均设置有过滤网。

7.根据权利要求1所述用于废水处理的微生物燃料电池耦合复合流人工湿地系统，其特征在于：池体的上方设置有照明灯，所述照明灯与电容器相连接。

8.根据权利要求1所述用于废水处理的微生物燃料电池耦合复合流人工湿地系统，其特征在于：所述集水层上种植有湿地作物。

9.根据权利要求8所述用于废水处理的微生物燃料电池耦合复合流人工湿地系统，其特征在于：所述湿地作物为水葱、茭白及菖蒲中的一种或两种以上。

10.根据权利要求1至9任一所述用于废水处理的微生物燃料电池耦合复合流人工湿地系统，其特征在于：所述微生物燃料电池耦合复合流人工湿地系统用于处理酒精废水，当废水初始COD浓度为800~1100 mg/L时，水力负荷为0.2~0.5 m³/m²·d。