CN110304735B - 一种降解焦化废水的燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种降解焦化废水的燃料电池体系，属于环境保护中污水处理技术领域。搭建了二级微生物燃料电池的反应系统，其中一级微生物燃料电池和二级微生物燃料电池的结构相同。为了提高降解效果，在微生物燃料电池的阴极室放入合适大小的涂覆着光催化材料的不锈钢网。为了进一步降解污染物，将二级微生物燃料电池的处理出水再经过光催化燃料电池的处理，在光电催化和过硫酸盐的作用下，最终实现焦化废水的有效降解。焦化废水经过二级微生物燃料电池和光催化燃料电池的体系的处理，COD和氨氮浓度有明显降低，该流程工艺实现了对成分复杂有毒有害的焦化废水的有效降解。并且在对焦化废水的有效降解过程中，体系能够持续产电并产电情况稳定。

Description

一种降解焦化废水的燃料电池系统

技术领域

本发明公开一种降解焦化废水的体系，属于环境保护中污水处理技术领域。主要涉及在耦合光催化的微生物燃料电池和光催化燃料电池的组合体系中对焦化废水的高效降解，为处理焦化废水提供一个新思路。

背景技术

随着我国的焦炭行业迅速发展，煤炭产量的不断增加，煤炭在高温干馏、煤气净化和化工产品精制过程中会产生大量焦化废水，其排放量大并且水质成分复杂。焦化废水是一种十分典型的成分复杂、色度大、污染物浓度高的工业废水，水质成分复杂，还有多种有机/无机污染物。焦化废水中的大部分污染物质，都具有致癌、有毒、高度集中等危害，并可能会产生长期的环境生态影响。随着国家新标准的发布，对传统焦化废水的处理工艺形成了极大的挑战，利用常规的处理工艺已经不能满足排放标准。所以开发一种简单、廉价、高效的处理工艺迫在眉睫。

现阶段，国内对于废水的处理方法主要有物理法、化学法、生物法等。物理法主要有相分离、相转移，比如蒸发过滤、吸附萃取等，这些处理方法并不会改变水中的物质属性，并且存在处理成本较高，存在二次污染问题。化学法是一种常见的将高浓度转化为低浓度，高毒性转化为低毒性的废水处理方法，但是通常运用在低浓度、难生物降解污染物的废水处理中。生物法是在微生物的作用下，实现污染物的降解一种应用最为广泛的废水处理方法，但是仍然会存在因为焦化废水不能达标而需要进一步深度处理的情况。

光催化技术是高级氧化法中的一种，利用光催化降解处理各类污染物废水已有大量的研究。光催化技术的核心问题是寻找高效、稳定且宽光谱响应的光催化材料。微生物燃料电池是一种利用微生物的催化作用，将蕴藏在有机物中的化学能转化外电能的生物电化学系统，是利用生物质能源的一种新形式。它融合了污水处理和生物产电两种效能的新技术，它能够在处理污水的同时将污水中有机物的化学能转化为电能,它的研究代表了当今最前沿的废弃物资源化利用的发展趋势，有望成为有机废弃物能源化处理的关键技术，展现了新能源开发与利用的广阔前景，这一研究领域近年来备受关注。近年来，出现了一种新型的废水处理技术——光催化燃料电池，这一概念最初源于微生物燃料电池，运用光电催化技术，将水中的污染物进行有效的降解矿化，最终分解为对环境低毒或者无毒的物质，从而实现降低污染物对环境的危害，并且还能达到资源回收的目的。

发明内容

本发明设计了一种先用光催化微生物燃料电池的二级处理技术降解废水，然后将微生物燃料电池的二级出水再次进行光催化燃料电池处理的工艺流程。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种降解焦化废水的燃料电池体系，该燃料电池体系包括一级微生物燃料电池、二级微生物燃料电池和光催化燃料电池；

一级微生物燃料电池划分为上中下三层的上下结构；

第一层⑩为阳极室，填充着微生物，并且插入碳棒⑥作为导电电极，作为反应体系的阳极；并且在阳极室中埋入一根进水管，在蠕动泵①的作用下，实现连续进水；

第二层⑨为细沙颗粒，其与第一层和第三层之间均用纱布隔开；

第三层⑧为阴极室，阴极室中有一个由活性炭包裹着的碳棒⑦，作为反应体系的阴极，与阳极室的阳极之间用导线连接，串联电阻②，形成回路；

在距离阴极室上方10cm的位置，悬挂LED灯③作为光催化反应的光源；阴极室内连接有空气泵和流量计的曝气头⑤，给阴极室提供氧气；

一级微生物燃料电池的出水在蠕动泵的作用下，再次进入二级微生物燃料电池，二级微生物燃料电池的结构和一级微生物燃料电池相同；

焦化废水经过二级微生物燃料电池处理后，再进行光催化燃料电池处理；光催化燃料电池为长条形石英管；铁棒为阳极，阴极为涂覆着光催化材料的不锈钢网，阴阳极之间串联电阻，用导线连接成回路；石英管底部有一个小孔，用于安插曝气头，为光催化反应提供适量的氧气。

为了提高降解效果，阴极室中还平铺一片涂覆有光催化材料的不锈钢网④。

为了提高光催化的效果，光催化燃料电池的溶液中添加过硫酸盐，进一步提高光催化效果。

本发明的有益效果：焦化废水经过二级微生物燃料电池和光催化燃料电池的体系的处理，COD和氨氮浓度有明显降低，该流程工艺实现了对成分复杂有毒有害的焦化废水的有效降解。并且在对焦化废水的有效降解过程中，体系能够持续产电并产电情况稳定。

附图说明

图1是耦合光催化的微生物燃料电池二级反应体系的流程图。

图2是焦化废水经过一级光催化微生物燃料电池处理后的COD浓度以及降解率。横坐标为时间，左侧纵坐标为COD浓度，右侧纵坐标为COD的降解率。进水浓度为初始进水的COD浓度，出水浓度为经过一级光催化燃料电池后的 COD浓度。

图3是焦化废水经过二级光催化微生物燃料电池处理后的COD浓度以及降解率。横坐标为时间，左侧纵坐标为COD浓度，右侧纵坐标为COD的降解率。进水浓度为初始进水的COD浓度，出水浓度为经过一级光催化燃料电池后的 COD浓度。

图4是经过二级光催化微生物燃料电池的降解处理之后，在光催化燃料电池中，在不同过硫酸盐浓度的辅助下，COD的降解效果。横坐标为时间，纵坐标为在光催化燃料电池降解过程中的COD浓度。

图中：①蠕动泵；②电阻；③LED灯；④不锈钢网；⑤曝气头；⑥碳棒；⑦碳棒；⑧第三层；⑨第二层；⑩第一层。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

实施例一：光催化耦合微生物燃料电池处理焦化废水流程

初始焦化废水的COD浓度约为2800mg/L，pH约为9。首先用适量浓度的酸性溶液将焦化废水pH调至4-5范围内。然后通过蠕动泵进入一级微生物燃料电池反应器中。水力停留时间约为10小时-15小时。收集一级微生物燃料电池的处理出水，并且收集的一级出水在蠕动泵的作用下，进入结构相同的二级微生物燃料电池中，水力停留时间仍为10小时-15小时。再次收集二级处理出水。将二级微生物燃料电池的处理出水进行管式的光催化燃料电池的再一次降解处理，在亚硫酸盐的作用下，进一步降解焦化废水。

实施例二：一级微生物燃料电池和二级微生物燃料电池的降解效果

在连续运行二级微生物燃料电池的14天中，每日在相同时间分别对一级微生物燃料电池和二级微生物燃料电池的处理出水进行取样，保证实验的一致性和可信性。

图2为原始焦化废水pH调至4-5，然后经过一级光催化微生物燃料电池处理后，COD浓度的变化趋势和COD的降解率，可以看到在14天的连续运行中，出水的COD降解率一直保持稳定。

图3为原始焦化废水在pH调至4-5之后，经过二级光催化燃料电池处理之后的COD浓度变化趋势和COD的降解率，可以看到相对于一级光催化微生物燃料电池，经过二级处理之后，COD的浓度有进一步的下降，并且COD的降解率稳定。

实施例三：光催化燃料电池中不同过硫酸盐浓度下的降解效果

焦化废水在经过二级微生物燃料电池处理之后，将二级微生物燃料电池处理出水再次经过光催化燃料电池处理。为了提高降解效果，加入不同浓度的过硫酸盐，图4为在不同浓度过硫酸盐的条件下，微生物燃料电池二级出水再次经过光催化燃料电池的COD降解情况。从图4看出，当过硫酸盐浓度为30mM时，降解效果相对最优，COD浓度可以达到50mg/L以下。

Claims (2)

1.一种降解焦化废水的燃料电池系统，其特征在于：

该燃料电池系统包括一级微生物燃料电池、二级微生物燃料电池和光催化燃料电池；

一级微生物燃料电池划分为上中下三层的上下结构，由下至上分别为：

第一层（⑩）为阳极室，填充着微生物，并且插入碳棒（⑥）作为导电电极，作为反应体系的阳极；并且在阳极室中埋入一根进水管，在蠕动泵(①)的作用下，实现连续进水；

第二层（⑨）为细沙颗粒，其与第一层和第三层之间均用纱布隔开；

第三层（⑧）为阴极室，阴极室中有一个由活性炭包裹着的碳棒（⑦），作为反应体系的阴极，与阳极室的阳极之间用导线连接，串联电阻（②），形成回路；为了提高降解效果，阴极室中还平铺一片涂覆有光催化材料的不锈钢网（④）；

在距离阴极室上方10 cm的位置，悬挂LED灯(③)作为光催化反应的光源；阴极室内连接有空气泵和曝气头(⑤)，给阴极室提供氧气；

一级微生物燃料电池的出水在蠕动泵的作用下，再次进入二级微生物燃料电池，二级微生物燃料电池的结构和一级微生物燃料电池相同；

焦化废水经过二级微生物燃料电池处理后，再进行光催化燃料电池处理；光催化燃料电池为长条形石英管；铁棒为阳极，阴极为涂覆着光催化材料的不锈钢网，阴阳极之间串联电阻，用导线连接成回路；石英管底部有一个小孔，用于安插曝气头，为光催化反应提供适量的氧气。

2.根据权利要求1所述的降解焦化废水的燃料电池系统，其特征在于：

为了提高光催化的效果，光催化燃料电池的溶液中添加过硫酸盐，进一步提高光催化效果。

Images