CN109574201A - 有机和脱硫废水微生物燃料电池协同处理方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种有机和脱硫废水微生物燃料电池协同处理方法，使用双室微生物燃料电池协同处理有机废水和脱硫废水。具体的，利用生活污水等有机废水具有有机物含量高的特点，用于微生物燃料电池阳极底物，为阳极产电微生物提供营养，在阳极室采用厌氧产电微生物将有机废水中的有机质转化为CO₂，并释放电子和质子；利用脱硫废水高氧化还原电位的特点，用于微生物燃料电池阴极液作为电子受体，在阴极室接种硫酸盐还原细菌，将脱硫废水中的硫酸根离子还原。该方法实现两种废水同步处理，处理效率高，资源利用充分，实现了产能与环境净化的双重目的。本发明实施例还提供了基于前述方法的有机和脱硫废水微生物燃料电池协同处理系统。

Description

有机和脱硫废水微生物燃料电池协同处理方法及系统

技术领域

本发明属于废水处理技术领域，特别涉及一种有机和脱硫废水微生物燃料电池协同处理方法，该方法使用双室微生物燃料电池协同处理有机废水和脱硫废水。本发明还提供了一种基于该方法的有机和脱硫废水微生物燃料电池协同处理系统。

背景技术

随着生活污水和工业废水的日益增加，废水处理已成为困扰各国的一大难题。微生物燃料电池的出现，为污水处理开辟了一条新的道路，微生物燃料电池(Microbial FuelCell，MFC)是一种利用产电微生物作为催化剂，将有机物质中的化学能转换为电能的装置，是微生物与电池技术相结合与发展的产物。微生物具有食谱广的特点，可以转化多种物质并产生电能输出供人们使用，生活污水和工业废水中存在丰富的有机物质，恰好可以作为微生物燃料电池的燃料从而输出电能，将微生物燃料电池技术用于废水处理，将水质净化与发电产能相结合，在环境和能源领域是具有广阔应用前景。

传统的废水处理工艺中，生物处理部分主要是由好氧生物处理和厌氧生物处理组成，与双室微生物燃料电池的构造相匹配，因此，双室微生物燃料电池为进行废水处理和能源回收的理想设备。现有技术利用双室微生物燃料电池处理废水时，通常由电化学活性细菌在阳极室内消耗有机质，获得维持微生物生长所需能量并产生电子传递至阳极电极，电子从阳极电极经由外电路到达阴极，在阴极室内，电子受体消耗电子完成整个电能输出过程。当前，利用双室微生物燃料电池处理废水时，通常废水在单个电极室内参与反应，仅能处理单一种类废水，微生物燃料电池内的微生物资源利用率低，污水处理的效率尚待提升。

发明内容

针对现有技术中微生物燃料电池废水处理工艺中存在的资源利用率低，污水处理效率差的问题，本发明提供了有机和脱硫废水微生物燃料电池协同处理方法及系统，利用双室微生物燃料电池协同处理有机废水和脱硫废水，更新了污水处理的方式，提升了污水处理效率，使得资源得以充分利用。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供了一种有机和脱硫废水微生物燃料电池协同处理方法，包括步骤如下：

1.制备双室微生物燃料电池，包括将阳极室和阴极室内保持厌氧环境，在阳极室中接种产电微生物，产电微生物为希瓦氏菌和红螺菌中任意一种，在阴极室中接种硫酸盐还原菌；

2.将废水通入双室微生物燃料电池进行处理，包括将有机废水通入阳极室，将脱硫废水通入阴极室，有机废水和脱硫废水在双室微生物燃料电池中同时参与反应；

3.将处理后的有机废水从阳极室中排出，将处理后的脱硫废水从阴极室排出。

作为步骤2的优选，在阴极室中接种硫酸盐还原菌后，将阴极液pH值保持在6.5，将温度维持在35℃。

作为步骤3的优选，还包括将处理后的脱硫废水从阴极室排出后进行沉降处理，除去水中沉淀后，作为净化水最终排放。

为解决上述技术问题，本发明的实施例还提供了一种有机和脱硫废水微生物燃料电池协同处理系统，包括由质子交换膜分隔的阳极室和阴极室，阳极室和阴极室内分别设有阳极体和阴极体，阳极体和阴极体通过外电路相连；阳极室内接种产电微生物，产电微生物为希瓦氏菌和红螺菌中任意一种；阴极室中接种硫酸盐还原菌；阳极室和阴极室内均为厌氧环境。阳极室侧部设有分别用于通入和排出有机废水的阳极室进水口和阳极室出水口；阴极室侧部设有分别用于通入和排出脱硫废水的阴极室进水口和阴极室出水口；生活污水等有机废水具有有机物含量高的特点，可以用于微生物燃料电池阳极底物，为阳极产电微生物提供营养；脱硫废水具有高氧化还原电位的特点，可以用于微生物燃料电池阴极液作为电子受体。阳极室和阴极室的上部分别设有阳极室排气口和阴极室排气口，用于排出阳极室和阴极室中反应生成的气体。

作为阳极体的优选，阳极体为多孔石墨结构；作为阴极体的优选，阴极体为片状金属结构。进一步优选地，阴极体材质选用Zn、Fe、A l、Mg、Cu中任意一种。

优选地，外电路中包括电压表，用于检测监控阳极体和阴极体之间的电压。

优选地，由于阴极室中还原反应产物包含不溶于水的沉淀，在阴极室出水口后设置沉降池，阴极室排出的水通入沉降池中去除沉淀。

本发明实施例的上述技术方案，利用双室微生物燃料电池协同处理生活污水、染料废水、啤酒废水等多种有机废水和脱硫废水。基于双室微生物燃料电池，在阳极室采用厌氧产电微生物处理有机废水，将有机质转化为CO₂，并释放电子和质子，在阴极室接种硫酸盐还原细菌，将硫酸根离子还原。该技术方案的有益效果如下：

1.利用微生物燃料电池协同处理有机废水和脱硫废水，更新了污水处理方式，提升了污水处理效率两种废水协同处理，废水处理效率提高，同时微生物利用废水中的营养物质产生电能，实现了产能与环境净化的双重目的；

2.阳极室和阴极室保持厌氧环境，保证了微生物在电池内的适宜的生长环境，促进微生物的生长发育，使得资源得以充分利用。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种有机和脱硫废水微生物燃料电池协同处理方法的步骤流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种有机和脱硫废水微生物燃料电池协同处理系统的结构及工作原理示意图。

[主要元件符号说明]

1-阳极室；11-阳极体；12-阳极室进水口；13-阳极室出水口；14-阳极室排气口；15-产电微生物；2-阴极室；21-阴极体；22-阴极室进水口；23-阴极室出水口；24-阴极室排气口；25-硫酸根还原菌；3-质子交换膜；4-外电路；5-沉降池。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明针对现有的问题，提供有机和脱硫废水微生物燃料电池协同处理方法及系统。

如图1所示，一种有机和脱硫废水微生物燃料电池协同处理方法的步骤为：

S1：制备双室微生物燃料电池，包括将阳极室和阴极室内保持厌氧环境，在阳极室中接种产电微生物，产电微生物为希瓦氏菌和红螺菌中任意一种，在阴极室中接种硫酸盐还原菌；

S2：将废水通入双室微生物燃料电池进行处理，包括将有机废水通入阳极室，将脱硫废水通入阴极室，有机废水和脱硫废水在双室微生物燃料电池中同时参与反应；

S3：将处理后的有机废水从阳极室中排出，将处理后的脱硫废水从阴极室排出。

作为更佳的实施方式，将接种硫酸盐还原菌后的阴极液pH值保持在6.5，将阴极液的温度维持在35℃。

处理后的有机废水作为净化水从阳极室中直接排出，而阴极室中处理后的脱硫废水会包含有不溶于水的沉淀，为保证排出水的质量，可将处理后的脱硫废水从阴极室排出后先进行沉降处理，除去水中沉淀后，再作为净化水最终排放。

基于上述有机和脱硫废水微生物燃料电池协同处理方法，如图2所示的实施例提供了一种有机和脱硫废水微生物燃料电池协同处理系统。

所述系统为一双室微生物燃料电池，包括由质子交换膜3分隔的阳极室1和阴极室2，阳极室1和阴极室2内分别设有阳极体11和阴极体21，阳极体11和阴极体21通过外电路4相连；其中，阳极体11选用石墨材质，以多孔石墨结构为佳，阴极体21为金属材质，宜使用片状金属结构，金属可选用Zn、Fe、Al、Mg、Cu中任意一种。阳极室1侧部设有分别用于通入和排出有机废水的阳极室进水口12和阳极室出水口13；阴极室2侧部设有分别用于通入和排出脱硫废水的阴极室进水口22和阴极室出水口23；阳极室1和阴极室2的上部分别设有阳极室排气口14和阴极室排气口24，用于排出阳极室1和阴极室2中反应生成的气体。阳极室1内接种产电微生物15，产电微生物15为希瓦氏菌和红螺菌中任意一种；阴极室2中接种硫酸根还原菌25；阳极室1和阴极室2内均设置为可促进微生物在电池双室内生长发育的厌氧环境。

为便于实时监测该微生物燃料电池的电压，外电路4中设置一电阻，设置电压表测量电阻两端电压，即可测得阳极体11和阴极体21之间的电压。

为除去阴极室2中还原反应生成的沉淀，在阴极室出水口23后设置沉降池5，阴极室2排出的水通入沉降池5中去除沉淀。

作为一实例，系统本体采用H型双室圆筒玻璃容器，圆筒直径为10cm，玻璃厚度1cm，两圆筒用一个直径为8cm，厚度为1cm的玻璃管连接，玻璃管中安装质子交换膜，将容器分成两室，即为阳极室和阴极室；在两室侧部的上下位置分别开一个直径5mm的圆孔，作为废水的进水口和处理后的水的出水口。

如图2所示，该系统工作时，阳极室1通有机废水，阴极室2通脱硫废水；阳极室有机废水的有机质在产电微生物15作用下形成二氧化碳和水，阴极室脱硫废水中硫酸盐的硫酸根在硫酸根还原菌25作用下生成硫化氢和硫离子，硫离子与废水中的重金属离子再结合形成重金属硫化物沉淀；阳极室1中生成的二氧化碳气体从阳极室排气口14排出，阴极室2中生成的硫化氢气体从阴极室排气口24排出；阴极室2中经处理后的脱硫废水中有沉淀，经阴极室出水口23排入沉降池5去除沉淀，再和阳极室出水口13排出的经处理后的有机废水一起作为净化水排放，完成有机废水和脱硫废水的协同处理。

对于上述的本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识未作过多描述；各实施例采用递进的方式描述，各实施例中所涉及到的技术特征在彼此之间不构成冲突的前提下可以相互组合，各实施例之间相同相似部分互相参见即可。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语中的位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明，选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。显然，以上优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种有机和脱硫废水微生物燃料电池协同处理方法，其特征在于，包括步骤如下：

步骤1、制备双室微生物燃料电池，包括将阳极室和阴极室内保持厌氧环境，在阳极室中接种产电微生物，所述产电微生物为希瓦氏菌和红螺菌中任意一种，在阴极室中接种硫酸盐还原菌；

步骤2、将废水通入双室微生物燃料电池进行处理，包括将有机废水通入阳极室，将脱硫废水通入阴极室，有机废水和脱硫废水在双室微生物燃料电池中同时参与反应；

步骤3、将处理后的有机废水从阳极室中排出，将处理后的脱硫废水从阴极室排出。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中阴极室中接种硫酸盐还原菌后，将阴极液pH值保持在6.5，将温度维持在35℃。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3中，还包括将所述处理后的脱硫废水从阴极室排出后进行沉降处理，除去水中沉淀。

4.一种有机和脱硫废水微生物燃料电池协同处理系统，包括由质子交换膜(3)分隔的阳极室(1)和阴极室(2)，所述阳极室(1)和所述阴极室(2)内分别设有阳极体(11)和阴极体(21)，所述阳极体(11)和阴极体(21)通过外电路(4)相连，其特征在于：

所述阳极室(1)内接种产电微生物，所述产电微生物为希瓦氏菌和红螺菌中任意一种；所述阴极室(2)中接种硫酸盐还原菌；所述阳极室(1)和所述阴极室(2)内均为厌氧环境；所述阳极室(1)侧部设有分别用于通入和排出有机废水的阳极室进水口(12)和阳极室出水口(13)；所述阴极室(2)侧部设有分别用于通入和排出脱硫废水的阴极室进水口(22)和阴极室出水口(23)；所述阳极室(1)和所述阴极室(2)的上部分别设有阳极室排气口(14)和阴极室排气口(24)。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述阳极体(11)为多孔石墨结构。

6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述阴极体(21)为片状金属结构。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述阴极体(21)材质为Zn、Fe、Al、Mg、Cu中任意一种。

8.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述外电路(4)中包括电压表，用于检测所述阳极体(11)和所述阴极体(21)之间的电压。

9.根据权利要求4至8任一项所述的系统，其特征在于，在所述阴极室出水口(23)后设置沉降池(5)，所述阴极室(2)中排出的水通入所述沉降池(5)中去除沉淀。