CN113336315B - 一种利用微生物燃料电池处理污水的系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种利用微生物燃料电池处理污水的系统，包括阳极室、阴极室、污水缓冲池、脉动装置和磁场控制装置，污水缓冲池与原污水连通，阳极室和阴极室同心设置，阳极室设置在阴极室内部，阳极室和阴极室的上下两端均封闭设置，阳极室的底部通过管道与阴极室的底部连通，管道上设置有二级污水排水电磁阀，阴极室的底部设置有四级出水电磁阀，阳极室的顶端设置有第一泄压阀，阴极室的顶端设置有第二泄压阀，阳极室内接种有Fe₃O₄粒子；污水缓冲池通过管路与阳极室连接，脉动装置设置在污水缓冲池和阳极室之间；磁场控制装置设置在阳极室的上下两端。本发明系统温度适应性宽泛、无温室气体的排放、净化出水速率快、电压稳定、生物质材料可循环利用、成本低。

Description

一种利用微生物燃料电池处理污水的系统及方法

技术领域

本发明涉及一种利用微生物燃料电池处理污水的系统及方法，属于污水处理技术领域。

背景技术

由于经济和人口的快速增长，城市每年产生的数量巨大的废水与垃圾。对于城市垃圾进行卫生填埋无疑是成本低、操作简单方式。然而，垃圾填埋场产生大量的渗沥液通常含有过量的营养物质和其他有害物质，如不加以处理将严重污染地下水。由于高纤维素含量和高盐度的存在使得传统的厌氧消化和好氧性污泥法无法有效地处理这些垃圾沥液。传统工艺大多受到投入大、降解不完全、污泥产量高等因素的限制，因此增加了运行成本。目前没有还没有针对于垃圾沥液处理的高效方式，因此利用多种方法进行协同处理城市垃圾沥液是污水处理技术的发展方向。

微生物燃料电池（MFC）因其兼有污水处理和发电的功能而备受关注。MFC可以在降解有机物的同时通过化学能的转化产生生物电。然而由于较低的传质效率和抑制产物的产生限制了其污水的直接利用，从而限制微生物代谢。导致微生物燃料电池不能规模化运行的主要原因有：1）阴极催化剂的高成本（Pt为代表的贵金属催化剂）；2）阴极室内不参与降解污水过程，通过额外添加氧化物来维持电压，氧化物消耗大，增大了运营成本；3）目前阳极微生物载体的难回收，增加了投入成本；4）阳极内的微生物与污水中有机物的不充分接触降低了微生物代谢速率和发电的效率；5）微生物在阳极分解有机物时产生CO2，排放了大量温室气体；6）游离的电子无法快速的传递到阳极表面；7）无法同时保证高COD去除率和较高的稳定电压，MFC的产电电压与污水中有机物含量成正比例关系，伴随着有机物被消耗电压随之下降。

发明内容

本发明为克服现有技术弊端，提供一种利用微生物燃料电池处理污水的系统及方法，利用磁场与脉动流化床相结合的阳极和藻类作为氧化物供体的阴极协同处理生活废水与垃圾沥液混合污水，该系统温度适应性宽泛、无温室气体的排放、净化出水速率快、电压稳定、生物质材料可循环利用、成本低。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种利用微生物燃料电池处理污水的系统，所述系统包括阳极室、阴极室、污水缓冲池、脉动装置和磁场控制装置，所述污水缓冲池与原污水连通，所述阳极室和阴极室同心设置，所述阳极室设置在所述阴极室内部，所述阳极室和阴极室的上下两端均封闭设置，所述阳极室的底部通过管道与所述阴极室的底部连通，所述管道上设置有二级污水排水电磁阀，所述阴极室的底部设置有四级出水口，其连接的管道上设置有四级出水电磁阀，所述阳极室的顶端设置有第一泄压阀和采样口，所述阴极室的顶端设置有第二泄压阀，所述阳极室的内壁上设置有若干个通孔，所述通孔处设置有离子交换膜，阴极贴合设置在所述阳极室侧壁的外侧、位于非通孔处，阳极附着在所述阳极室侧壁的内侧、与所述阴极位置相对应，所述阳极室内接种有Fe₃O₄粒子；所述污水缓冲池通过管路与所述阳极室连接，所述脉动装置设置在所述污水缓冲池和阳极室之间；

所述脉动装置包括蠕动泵、上脉动电磁阀、下脉动电磁阀、上脉动回水电磁阀和下脉动回水电磁阀，所述蠕动泵的进水口通过管道与所述污水缓冲池连接，出水口分别通过上脉动管路和下脉动管路与所述阳极室底部的第一进/出水口、顶部的第二进/出水口连接，所述上脉动电磁阀和下脉动电磁阀分别设置在所述上脉动管路和下脉动管路上，所述第一进/出水口和第二进/出水口分别通过第一回水管路和第二回水管路与所述污水缓冲池连接，所述上脉动回水电磁阀和下脉动回水电磁阀分别设置在所述第二回水管路和第一回水管路上；

所述磁场控制装置包括第一永久磁、第一磁场屏蔽板，第二永久磁和第二磁场屏蔽板，所述第一永久磁设置在所述阳极室的上方，所述第一磁场屏蔽板设置在所述第一永久磁和阳极室之间，所述第二永久磁设置在所述阳极室的下方，第二磁场屏蔽板设置在所述第二永久磁和阳极室之间；

所有电磁阀、第一泄压阀、第二泄压阀、蠕动泵第一磁场屏蔽板和第二磁场屏蔽板均与单片机电连接。

上述利用微生物燃料电池处理污水的系统，所述系统还包括微生物膜清洗装置，所述微生物膜清洗装置包括分离池、第三磁场控制装置和超声波振荡器，所述分离池的进出口分别通过管道与所述污水缓冲池和阳极室连接，分离池进口管道上设置有进口电磁阀，分离池出口管道上设置有出口电磁阀，所述第三磁场控制装置包括第三永久磁、第三磁场屏蔽板，所述第三永久磁设置在所述分离池的上方，所述第三磁场屏蔽板设置在所述第三永久磁和分离池之间，所述超声波振荡器设置在所述分离池的一侧，所述分离池的下端排污管道上设置有排污电磁阀，所述进口电磁阀、出口电磁阀和排污电磁阀均与所述单片机电连接。

上述利用微生物燃料电池处理污水的系统，所述污水缓冲池上端和阴极室的底部通过通气管道连接，通气管道上设置有CO₂进气电磁阀，所述CO₂进气电磁阀与所述单片机连接，通气管道与所述污水缓冲池的连接端位于所述污水缓冲池内污水液面上方，所述污水缓冲池上还设置有气压表。

上述利用微生物燃料电池处理污水的系统，所述系统还包括电压测量装置，其包括外接电阻、电压测量仪和监控电脑，所述外接电阻和电压测量仪分别并联在所述阳极室和阴极室之间，所述电压测量仪与所述监控电脑连接。

上述利用微生物燃料电池处理污水的系统，所述阴极为碳纤维阴极，其上附着有藻类，藻类的厚度为50±5μm；所述阳极为304不锈钢阳极。

上述利用微生物燃料电池处理污水的系统，所述Fe₃O₄粒子的100±10 nm，包覆微生物膜厚的的Fe₃O₄的粒径为5±2μm。

上述利用微生物燃料电池处理污水的系统，其特征在于：所述第一永久磁、第二永久磁和第三永久磁的磁场强度为300±10mT。

一种污水处理方法，利用上述系统处理生物污水和垃圾沥液的方法，包括如下步骤：

a、Fe₃O₄微生物膜的制备：将磁铁矿研磨筛分后，超声波沉淀法制备得到纳米Fe₃O₄，将污水厂得到的污泥与纳米Fe₃O₄混合，利用生活废水与垃圾沥液混合的污水作为营养物进行梯度驯化，操作温度在30±5℃，得到Fe₃O₄微生物膜；

b、碳纤维阴极藻类的培养：混合藻类富集培养，将碳纤维浸入到藻类培养物中，藻类包覆在碳纤维上，形成碳纤维-微藻阴极，操作温度为15-36℃；

c、微生物燃料电池MFC的开启：将培养好的碳纤维-微藻阴极安装到阴极室，并与阳极室外壁贴合，启动蠕动泵，打开上脉动电磁阀、二级污水排水电磁阀、第一泄压阀和第二泄压阀，将污水缓冲池中的生活污水注入阴极室内至阴极室一定的体积后，关闭二级污水排水电磁阀和第二泄压阀，向污水缓冲池中补充垃圾沥液；将梯度驯化后的Fe₃O₄微生物膜接种到阳极室中，并向阳极室内注满生活废水与垃圾沥液的混合污水，关闭上脉动电磁阀、第一泄压阀和蠕动泵，MFC的启动条件为30±5℃、外部电阻10Ω；每隔15min记录一次电压，当电压稳定为300±50mV持续5天，MFC完成启动；

d、MFC脉动处理垃圾沥液与生活废水混合污水：开启蠕动泵，打开上脉动电磁阀和上脉动回水电磁阀，并移开第二磁场屏蔽板，实现阳极室内Fe₃O₄微生物膜向下移动，污水向上流动，处理后的二级污水通过第二回水管路进入污水缓冲池中，上脉动一定时间；关闭上脉动电磁阀和上脉动回水电磁阀，放下第二磁场屏蔽板，打开下脉动电磁阀、下脉动回水电磁阀，并移开第一磁场屏蔽板，实现阳极室内Fe₃O₄微生物膜向上移动，污水向下流，处理后的污水通过第一回水管路进入污水缓冲池中，依次循环上下脉动处理混合污水；

e、污水更替：MFC污水处理过程中，利用电压测量仪每隔15min记录一次电压，当电压呈现下降趋势并且小于200mV时，向污水缓冲池内补充新的污水；当阴极室内污水中COD小于100mg/L、氨氮含量小于25mg/L和磷元素含量小于3mg/L时，阳极室单向流循环3分钟，将Fe₃O₄生物膜吸附在磁场附近，将阴极室内藻类处理后的四级水排出1/3；打开二级污水排水电磁阀、第二泄压阀和第一泄压阀，阳极室内的二级污水自流入阴极室内至原液位，为阴极藻类补充营养物质；阳极室内补充一级污水，使得COD值恢复到初始值，完成一个周期的污水更替，阳极重新进行基于磁场的脉动；

f、CO₂的转移：在一次污水更替的周期内，当污水缓冲池内的压力大于1MPa时，打开CO₂进气电磁阀，将CO₂排进阴极室，使CO₂充分溶解在阴极溶液内；

g、Fe₃O₄微生物膜的净化和污泥的分离：阳极室内污水换新后，电压仍达不到稳定值时，停止上下脉动过程，开始单向流动，开启蠕动泵、下脉动电磁阀、进口电磁阀和出口电磁阀，将混合有Fe₃O₄微生物膜的污水泵入分离池中，利用超声波振动器震荡清理Fe₃O₄微生物膜上的污泥，通过第三永久磁产生的磁场吸附Fe₃O₄微生物膜向上移动，使其与污泥分离，污泥通过排污电磁阀外排，清洗完的Fe₃O₄微生物膜重新泵入阳极室，开始新的脉动周期。

上述污水处理方法，所述步骤c中，所述Fe₃O₄微生物膜接种在阳极室内，保证阳极室内的内电阻小于40±5Ω，启动微生物燃料电池时，污水缓冲池和阳极室内的混合污水初始COD为1300±100mg/L，即生活废水与垃圾沥液的混合比例10:1。

上述污水处理方法，其特征在于：步骤d中，阳极室内上下脉动的单向流量为300±30mL/min，单向脉动流动持续时间为5s。

本发明的有益效果是：本发明污水处理系统的阳极是基于磁场的脉动流化床、阴极是基于藻类的碳纤维作为氧化物供体，两者协同处理生活废水与垃圾沥液的混合污水，处理过程温度适应性宽泛、无温室气体的排放、净化出水速率快、电压稳定、生物质材料可循环利用、成本低、连续进行，处理效果高。

在阳极室利用具有高导电率、较大空隙和高比较面积的纳米Fe₃O₄作为微生物的载体，一方面保障了阳极室内微生物的浓度，另一方面降低了阳极室内溶液的内阻。阳极利用厌氧菌分解有机物产生电子，阴极利用藻类吸收有机物，并继续降解有害物质产生氧气，两者形成耦合，且阳极室和阴极室内间歇补充相应的污水，使得产电电压稳定在200mV以上。同时利用脉动流化床上下脉动与磁场的切换提升纳米Fe₃O₄微生物膜与污水之间的传质速率和对阳极室中游离电子的捕集，实现较短的污水停留时间（HRD），比常规静态的微生物燃料电池的HRD缩短了约四分之一。磁性纳米Fe₃O₄作为微生物载体利用磁场吸附收集循环利用降低运营成本。阴极藻类可以保障高电压的同时承接阳极未完全分解的营养物质，并对有害物质继续进行分解，保证出水的高品质；利用阴极藻类光合作用吸收阳极产生的CO₂，产生O₂，从而实现CO₂的封存。

附图说明

图1为本发明处理系统结构示意图；

图2为MFC俯视结构示意图；

图3为本发明脉动处理与静态启动处理污水过程中的电压变化特性对比示意图；

图4为微生物燃料电池处理污水处理过程中的COD变化示意图；

图5为微生物燃料电池处理污水处理过程中的磷元素含量变化示意图；

图6为微生物燃料电池处理污水处理过程中的氨氮含量变化示意图。

图中：1、阳极室；1-1、二级污水排水电磁阀；1-2、第一泄压阀；1-3、采样口；1-4、通孔；1-5、阳极；2、阴极室；2-1、四级出水口；2-2、四级出水电磁阀；2-3、阴极；3、污水缓冲池；3-1、气压表；4、蠕动泵；5、上脉动电磁阀；6、下脉动电磁阀；7、上脉动回水电磁阀；8、下脉动回水电磁阀；9、上脉动管路；10、下脉动管路；11、第一进/出水口；12、第二进/出水口；13、第一回水管路；14、第二回水管路；15、第一永久磁；16、第二磁场屏蔽板；17、第二永久磁；18、第二磁场屏蔽板；19、分离池；19-1、进口电磁阀；19-2、出口电磁阀；20、超声波振荡器；21、第三永久磁；22、第三磁场屏蔽板；23、排污电磁阀；24、CO₂进气电磁阀；25、外接电阻；26、电压测量仪；27、监控电脑。

具体实施方式

本发明污水处理系统及方法在处理生活废水与垃圾沥液的过程中，阳极室内，附着在Fe₃O₄微生物膜上的厌氧细菌分解污水中的有机物和有害物质，并释放电子，基于磁场与脉动床的高传质流动下，增加了Fe₃O₄微生物膜与有机物和有害物质的接触机率，同时增强了Fe₃O₄微生物膜捕捉游离态电子的能力，增加了阳极的电子传递速率和分解有机物、有害物质的速率；阳极电压下降时，有机物浓度下降，为保证电压的稳定，将阳极室内的二级污水转移到阴极室内，同时向阳极室内补充一级污水，利用碳纤维阴极外包覆的藻类继续分解有机物和有害物质，稳定了高电压，也保障了四级出水的水质。此外，藻类通过光合用吸收阳极产生的CO₂，释放氧气，实现了温室气体的零排放，同时藻类可以进行提炼生物质油。

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

参看图1和图2，本发明提供一种利用微生物燃料电池处理污水的系统，所述系统包括阳极室1、阴极室2、污水缓冲池3、脉动装置和磁场控制装置，所述污水缓冲池3与原污水连通，一级污水泵入污水缓冲池中，所述阳极室1和阴极室2同心设置，所述阳极室1设置在所述阴极室2内部，所述阳极室1和阴极室2的上下两端均封闭设置，所述阳极室1的底部通过管道与所述阴极室2的底部连通，所述管道上设置有二级污水排水电磁阀1-1，阳极室内的二级污水通过二级污水排水电磁阀进入阴极室中继续进行处理，所述阴极室2的底部设置有四级出水口2-1，其连接的管道上设置有四级出水电磁阀2-2，所述阳极室1的顶端设置有第一泄压阀1-2和采样口1-3，通过采样口对阳极室内的二级污水采取并进行水质检测，所述阴极室2的顶端设置有第二泄压阀2-2，所述阳极室1的内壁上设置有若干个通孔1-4，所述通孔1-4处设置有离子交换膜，阴极2-3贴合设置在所述阳极室1侧壁的外侧、位于非通孔处，阳极1-5附着在所述阳极室1侧壁的内侧、与所述阴极2-3位置相对应，阳极为不透光的304不锈钢阳极，避免阴极室内的阳光进入阳极室内，所述阳极室1内接种有纳米Fe₃O₄粒子，Fe₃O₄粒子的100±10 nm，在其外部包覆微生物膜，包覆微生物膜后的Fe₃O₄的粒径为5±2μm；所述污水缓冲池3通过管路与所述阳极室1连接，所述脉动装置设置在所述污水缓冲池3和阳极室1之间；

所述脉动装置包括蠕动泵4、上脉动电磁阀5、下脉动电磁阀6、上脉动回水电磁阀7和下脉动回水电磁阀8，所述蠕动泵4的进水口通过管道与所述污水缓冲池3连接，出水口分别通过上脉动管路9和下脉动管路10与所述阳极室1底部的第一进/出水口11、顶部的第二进/出水口12连接，所述上脉动电磁阀5和下脉动电磁阀6分别设置在所述上脉动管路9和下脉动管路10上，所述第一进/出水口11和第二进/出水口12分别通过第一回水管路13和第二回水管路14与所述污水缓冲池3连接，所述上脉动回水电磁阀7和下脉动回水电磁阀8分别设置在所述第二回水管路14和第一回水管路13上；

所述磁场控制装置包括第一永久磁15、第一磁场屏蔽板16，第二永久磁17和第二磁场屏蔽板18，所述第一永久磁15设置在所述阳极室1的上方，所述第一磁场屏蔽板16设置在所述第一永久磁15和阳极室1之间，所述第二永久磁17设置在所述阳极室1的下方，第二磁场屏蔽板18设置在所述第二永久磁17和阳极室1之间；上下脉动装置与磁场控制装置共同实现阳极室内Fe₃O₄微生物膜移动方向与污水流向相反，增大Fe₃O₄微生物膜与污水的接触率，提高处理效率。

所有电磁阀、第一泄压阀1-2、第二泄压阀2-2、蠕动泵4第一磁场屏蔽板16和第二磁场屏蔽板18均与单片机电连接，实现自动化控制。

污水处理过程中，Fe₃O₄微生物膜与污水的接触，阳极室内的污泥会挂到Fe₃O₄微生物膜外，影响其降解效果，因此，本发明处理系统中增设了微生物膜清洗装置，包括分离池19、第三磁场控制装置和超声波振荡器20，所述分离池19的进出口分别通过管道与所述污水缓冲池3和阳极室1连接，分离池进口管道上设置有进口电磁阀19-1，分离池出口管道上设置有出口电磁阀19-2，所述第三磁场控制装置包括第三永久磁21、第三磁场屏蔽板22，所述第三永久磁21设置在所述分离池19的上方，所述第三磁场屏蔽板22设置在所述第三永久磁21和分离池19之间，所述超声波振荡器20设置在所述分离池19的一侧，所述分离池19的下端排污管道上设置有排污电磁阀23，处理一定时间后，系统电压无法达到稳定时，利用蠕动泵，开启单向流动，即开启蠕动泵、下脉动电磁阀、进口电磁阀和出口电磁阀，将混合有Fe₃O₄微生物膜的污水泵入分离池19中，利用超声波振动器20震荡清理Fe₃O₄微生物膜上的污泥，通过第三永久磁21产生的磁场吸附Fe₃O₄微生物膜向上移动，使其与污泥分离，污泥通过排污电磁阀23外排，所述进口电磁阀19-1、出口电磁阀19-2和排污电磁阀23均与所述单片机电连接。

所述污水缓冲池3上端和阴极室1的底部通过通气管道连接，通气管道上设置有CO₂进气电磁阀24，所述CO₂进气电磁阀24与所述单片机连接，通气管道与所述污水缓冲池3的连接端位于所述污水缓冲池3内污水液面上方，所述污水缓冲池3上还设置有气压表3-1，用于监测污水缓冲池中的气压，所述系统还包括电压测量装置，其包括外接电阻25、电压测量仪26和监控电脑27，所述外接电阻25和电压测量仪26分别并联在所述阳极室1和阴极室2之间，所述电压测量仪26与所述监控电脑27连接。

污水处理方法及过程：纳米Fe₃O₄微生物膜载体的培养：将磁铁矿进行研磨,利用1000目筛网进行筛分后，利用超声波沉淀法获得粒径为100±10 nm的纳米Fe₃O₄，将污水处理厂获得的活性污泥与纳米Fe₃O₄进行混合，在污水厂和垃圾填埋场分别采集生活废水与垃圾沥液进行配比作为营养物，利用生活废水与垃圾沥液的混合液对Fe₃O₄微生物膜进行梯度驯化培养；利用电镜扫描易测量纳米Fe₃O₄微生物膜的厚度，挂膜后的纳米Fe₃O₄的粒径为5±2μm。

碳纤维阴极藻类的培养：混合藻类富集培养，将碳纤维制成的阴极浸到藻类培养物中，进行挂膜包覆，包覆藻类后的碳纤维作为阴极，挂膜后的碳纤维阴极厚度增加50±5μm，操作温度在15-30℃。

利用上述系统进行污水处理的过程：

MFC的开启：将培养好的碳纤维-微藻阴极安装到阴极室，并与阳极室外壁贴合，启动蠕动泵4，打开上脉动电磁阀5、二级污水排水电磁阀1-1、第一泄压阀1-2和第二泄压阀2-2，将污水缓冲池中的生活污水注入阴极室内至阴极室80%的体积后，关闭二级污水排水电磁阀1-1和第二泄压阀2-2，向污水缓冲池中补充垃圾沥液，使得阳极室和污水缓冲池内生活废水与垃圾沥液的体积比为10：1；将梯度驯化后的Fe₃O₄微生物膜接种到阳极室中，并向阳极室内注满生活废水与垃圾沥液的混合污水，关闭上脉动电磁阀5、第一泄压阀1-2和蠕动泵，MFC的启动条件为30±5℃、外部电阻10Ω；每隔15min记录一次电压，当电压稳定为300±50mV持续5天，MFC完成启动。

MFC脉动处理垃圾沥液与生活废水混合污水：开启蠕动泵4，开启上脉动：打开上脉动电磁阀5和上脉动回水电磁阀7，并移开第二磁场屏蔽板18，实现阳极室内Fe₃O₄微生物膜向下移动，污水向上流动，处理后的二级污水通过第二回水管路14进入污水缓冲池3中，上脉动流量为300±30mL/min，持续脉动5秒；关闭上脉动电磁阀5和上脉动回水电磁阀7，放下第二磁场屏蔽板18，开启下脉动：打开下脉动电磁阀6、下脉动回水电磁阀8，并移开第一磁场屏蔽板16，实现阳极室内Fe₃O₄微生物膜向上移动，污水向下流，处理后的污水通过第一回水管路13进入污水缓冲池3中，下脉动流量为300±30mL/min，持续脉动5秒，交替循环上下脉动处理混合污水；

污水更替：MFC污水处理过程中，利用电压测量仪26每隔15min记录一次电压，当电压呈现下降趋势并且小于200mV时，向污水缓冲池中补充新的污水；当阴极室内污水中COD小于100mg/L、氨氮含量小于25mg/L和磷元素含量小于3mg/L时，停止上下脉动，启动蠕动泵，上脉动电磁阀5常开，上脉动回水电磁阀7常开，第一磁场屏蔽板16常开，阳极室单向流循环3分钟，将阳极室内的Fe₃O₄生物膜吸附在第一永久磁的磁场附近，阳极室单向流动结束后，关闭蠕动泵、上脉动电磁阀5、上脉动回水电磁阀7和第一磁场屏蔽板16，打开四级出水电磁阀2-2和第二泄压阀2-2，将阴极室内碳纤维-微藻阴极处理后的四级水排出污水体积的1/3后，关闭四级出水电磁阀2-2；打开二级污水排水电磁阀1-1和第一泄压阀1-2，阳极室内的二级污水自流入阴极室内至原液位，为阴极藻类补充营养物质，关闭二级污水排水电磁阀1-1、第一泄压阀1-2和第二泄压阀2-2；阳极室内补充一级污水，使得COD值恢复到初始值，完成一个周期的污水更替，阳极重新进行基于磁场的脉动；

CO₂的转移：在一次污水更替的周期内，当污水缓冲池内的压力大于1MPa时，打开CO₂进气电磁阀24，并维持3分钟后，打开第二泄压阀2-2释放阴极室内的压力，当阴极室底部不再出现气泡时，关闭将CO₂进气电磁阀24和第二泄压阀，使CO₂充分溶解在阴极溶液内；

Fe₃O₄微生物膜的净化和污泥的分离：阳极室内污水换新后，电压仍达不到稳定值时，停止上下脉动过程，开始单向流动，开启蠕动泵4、下脉动电磁阀6、进口电磁阀19-1和出口电磁阀19-2，将混合有Fe₃O₄微生物膜的污水泵入分离池19中，利用超声波振动器20震荡清理Fe₃O₄微生物膜上的污泥，通过第三永久磁21产生的磁场吸附Fe₃O₄微生物膜向上移动，使其与污泥分离，震荡10分钟后，污泥通过排污电磁阀23外排。净化后的Fe₃O₄微生物膜重新泵入阳极室，开始新的脉动周期。

处理前污水水质的检测：使用水质分析仪测量垃圾沥液、生活废水以及按照1:10的比例配比的一级污水的初始的COD值、氨氮含量和磷元素含量，其中，生活废水的COD值为200±30mg/L，氨氮含量为90±10mg/L，磷元素含量为5±1mg/L；垃圾沥液的COD为15000±100mg/L，氨氮含量为1200±50mg/L，磷元素含量为25±2mg/L；垃圾沥液和生活废水按照1:10配比的一级污水的COD为1300±100mg/L，氨氮含量为200±50 mg /L，磷元素含量为7±2mg/L。利用上述脉动方法处理垃圾沥液和生活污水的混合污水，连续处理240h，每12个小时测量进行一次水质检查，并且当MFC微生物燃料电池电压呈现下降趋势并且小于200mV时，测量通过采样口1-3抽取阳极室内的二级污水、通过四级出水口2-1抽取阴极室内的三级污水，使用水质分析仪测量COD、氨氮含量和磷含量并记录，如图4至6所示，并记录处理过程中电压的变化情况，如图3所示。

参看图3，污水中的有害物质变化和产电电压变化呈现正比例关系，电压随着阳极微生物分解有机物和有害物质会呈现先增加后减小的一个变化趋势，当电压呈现下降趋势且小于200mV时（图3中a点和b点所示），阳极室进行一级污水的补充可以提升电压并稳定电压。同时，参看图4至图6，阳极室内污水中COD、氨氮、磷元素的含量随厌氧细菌的代谢将逐渐降低，且含量和产电电压呈现正比例关系。当阳极室内污水中COD值、磷元素含量和氨氮含量达到最低值时，图4至图6中点c、d、e、f、g、h所示，且阴极室内污水中COD值、磷元素含量和氨氮含量也达到了最低值，图4至6中点c′、d′、e′、f′、g′、h′所示，此时将阳极室内的二级污水排入阴极室内继续降解反应，同时阳极室内补充新的一级污水。阳极室内厌氧反应达到一定程度后，部分无法分解的有害物质随污水排入阴极室内，利用藻类继续分解有害物质，且污水中含有的营养物质为藻类生长的补充营养物质。阳极循环脉动降解后，通过阴极继续降解后，使得降解后的污水中COD值均小于100mg/L、氨氮含量小于25mg/L和磷元素含量小于3mg/L，出水水质高。

Claims (10)

1.一种利用微生物燃料电池处理污水的系统，其特征在于：所述系统包括阳极室（1）、阴极室（2）、污水缓冲池（3）、脉动装置和磁场控制装置，所述污水缓冲池（3）与原污水连通，所述阳极室（1）和阴极室（2）同心设置，所述阳极室（1）设置在所述阴极室（2）内部，所述阳极室（1）和阴极室（2）的上下两端均封闭设置，所述阳极室（1）的底部通过管道与所述阴极室（2）的底部连通，所述管道上设置有二级污水排水电磁阀（1-1），所述阴极室（2）的底部设置有四级出水口（2-1），其连接的管道上设置有四级出水电磁阀，所述阳极室（1）的顶端设置有第一泄压阀（1-2）和采样口（1-3），所述阴极室（2）的顶端设置有第二泄压阀，所述阳极室（1）的内壁上设置有若干个通孔（1-4），所述通孔（1-4）处设置有离子交换膜，阴极（2-3）贴合设置在所述阳极室（1）侧壁的外侧、位于非通孔处，阳极（1-5）附着在所述阳极室（1）侧壁的内侧、与所述阴极（2-3）位置相对应，所述阳极室（1）内接种有Fe₃O₄粒子；所述污水缓冲池（3）通过管路与所述阳极室（1）连接，所述脉动装置设置在所述污水缓冲池（3）和阳极室（1）之间；

所述脉动装置包括蠕动泵（4）、上脉动电磁阀（5）、下脉动电磁阀（6）、上脉动回水电磁阀（7）和下脉动回水电磁阀（8），所述蠕动泵（4）的进水口通过管道与所述污水缓冲池（3）连接，出水口分别通过上脉动管路（9）和下脉动管路（10）与所述阳极室（1）底部的第一进/出水口（11）、顶部的第二进/出水口（12）连接，所述上脉动电磁阀（5）和下脉动电磁阀（6）分别设置在所述上脉动管路（9）和下脉动管路（10）上，所述第一进/出水口（11）和第二进/出水口（12）分别通过第一回水管路（13）和第二回水管路（14）与所述污水缓冲池（3）连接，所述上脉动回水电磁阀（7）和下脉动回水电磁阀（8）分别设置在所述第二回水管路（14）和第一回水管路（13）上；

所述磁场控制装置包括第一永久磁（15）、第一磁场屏蔽板（16），第二永久磁（17）和第二磁场屏蔽板（18），所述第一永久磁（15）设置在所述阳极室（1）的上方，所述第一磁场屏蔽板（16）设置在所述第一永久磁（15）和阳极室（1）之间，所述第二永久磁（17）设置在所述阳极室（1）的下方，第二磁场屏蔽板（18）设置在所述第二永久磁（17）和阳极室（1）之间；

所有电磁阀、第一泄压阀（1-2）、第二泄压阀、蠕动泵（4）第一磁场屏蔽板（16）和第二磁场屏蔽板（18）均与单片机电连接。

2.根据权利要求1所述的利用微生物燃料电池处理污水的系统，其特征在于：所述系统还包括微生物膜清洗装置，所述微生物膜清洗装置包括分离池（19）、第三磁场控制装置和超声波振荡器（20），所述分离池（19）的进出口分别通过管道与所述污水缓冲池（3）和阳极室（1）连接，分离池进口管道上设置有进口电磁阀（19-1），分离池出口管道上设置有出口电磁阀（19-2），所述第三磁场控制装置包括第三永久磁（21）、第三磁场屏蔽板（22），所述第三永久磁（21）设置在所述分离池（19）的上方，所述第三磁场屏蔽板（22）设置在所述第三永久磁（21）和分离池（19）之间，所述超声波振荡器（20）设置在所述分离池（19）的一侧，所述分离池（19）的下端排污管道上设置有排污电磁阀（23），所述进口电磁阀（19-1）、出口电磁阀（19-2）和排污电磁阀（23）均与所述单片机电连接。

3.根据权利要求2所述的利用微生物燃料电池处理污水的系统，其特征在于：所述污水缓冲池（3）上端和阴极室（1）的底部通过通气管道连接，通气管道上设置有CO₂进气电磁阀（24），所述CO₂进气电磁阀（24）与所述单片机连接，通气管道与所述污水缓冲池（3）的连接端位于所述污水缓冲池（3）内污水液面上方，所述污水缓冲池（3）上还设置有气压表（3-1）。

4.根据权利要求3所述的利用微生物燃料电池处理污水的系统，其特征在于：所述系统还包括电压测量装置，其包括外接电阻（25）、电压测量仪（26）和监控电脑（27），所述外接电阻（25）和电压测量仪（26）分别并联在所述阳极室（1）和阴极室（2）之间，所述电压测量仪（26）与所述监控电脑（27）连接。

5.根据权利要求4所述的利用微生物燃料电池处理污水的系统，其特征在于：所述阴极（2-3）为碳纤维阴极，其上附着有藻类，藻类的厚度为50±5μm；所述阳极（1-5）为304不锈钢阳极。

6.根据权利要求5所述的利用微生物燃料电池处理污水的系统，其特征在于：所述Fe₃O₄粒子的100±10 nm，包覆微生物膜后的Fe₃O₄的粒径为5±2μm。

7.根据权利要求5所述的利用微生物燃料电池处理污水的系统，其特征在于：第一永久磁（15）、第二永久磁（17）和第三永久磁（21）的磁场强度为300±10mT。

8.一种污水处理方法，其特征在于：利用如权利要求1-7任一项所述的系统处理生物污水和垃圾沥液的方法，包括如下步骤：

a、Fe₃O₄微生物膜的制备：将磁铁矿研磨筛分后，超声波沉淀法制备得到纳米Fe₃O₄，将污水厂得到的活性污泥与纳米Fe₃O₄混合，利用生活废水与垃圾沥液混合的污水作为营养物进行梯度驯化，操作温度在30±5℃，得到Fe₃O₄微生物膜；

b、碳纤维阴极藻类的培养：混合藻类富集培养，将碳纤维浸入到藻类培养物中，藻类包覆在碳纤维上，形成碳纤维-微藻阴极，操作温度为15-36℃；

c、微生物燃料电池MFC的开启：将培养好的碳纤维-微藻阴极安装到阴极室，并与阳极室外壁贴合，启动蠕动泵，打开上脉动电磁阀（5）、二级污水排水电磁阀（1-1）、第一泄压阀（1-2）和第二泄压阀，将污水缓冲池中的生活污水注入阴极室内至阴极室一定的体积后，关闭二级污水排水电磁阀（1-1）和第二泄压阀，向污水缓冲池中补充垃圾沥液；将梯度驯化后的Fe₃O₄微生物膜接种到阳极室中，并向阳极室内注满生活废水与垃圾沥液的混合污水，关闭上脉动电磁阀（5）、第一泄压阀（1-2）和蠕动泵，MFC的启动条件为30±5℃、外部电阻10Ω；每隔15min记录一次电压，当电压稳定为300±50mV持续5天，MFC完成启动；

d、MFC脉动处理垃圾沥液与生活废水混合污水：开启蠕动泵（4），打开上脉动电磁阀（5）和上脉动回水电磁阀（7），并移开第二磁场屏蔽板（18），实现阳极室内Fe₃O₄微生物膜向下移动，污水向上流动，处理后的二级污水通过第二回水管路（14）进入污水缓冲池（3）中，上脉动一定时间；关闭上脉动电磁阀（5）和上脉动回水电磁阀（7），放下第二磁场屏蔽板（18），打开下脉动电磁阀（6）、下脉动回水电磁阀（8），并移开第一磁场屏蔽板（16），实现阳极室内Fe₃O₄微生物膜向上移动，污水向下流，处理后的污水通过第一回水管路（13）进入污水缓冲池（3）中，依次循环上下脉动处理混合污水；

e、污水更替：MFC污水处理过程中，利用电压测量仪（26）每隔15min记录一次电压，当电压呈现下降趋势并且小于200mV时，向污水缓冲池内补充新的污水；当阴极室内污水中COD小于100mg/L、氨氮含量小于25mg/L和磷元素含量小于3mg/L时，阳极室单向流循环3分钟，将Fe₃O₄生物膜吸附在磁场附近，将阴极室内藻类处理后的四级水排出1/3；打开二级污水排水电磁阀（1-1）、第二泄压阀和第一泄压阀（1-2），阳极室内的二级污水自流入阴极室内至原液位，为阴极藻类补充营养物质；阳极室内补充一级污水，使得COD值恢复到初始值，完成一个周期的污水更替，阳极重新进行基于磁场的脉动；

f、CO₂的转移：在一次污水更替的周期内，当污水缓冲池内的压力大于1MPa时，打开CO₂进气电磁阀（24），将CO₂排进阴极室，使CO₂充分溶解在阴极溶液内；

g、Fe₃O₄微生物膜的净化和污泥的分离：阳极室内污水换新后，电压仍达不到稳定值时，停止上下脉动过程，开始单向流动，开启蠕动泵、下脉动电磁阀、进口电磁阀和出口电磁阀，将混合有Fe₃O₄微生物膜的污水泵入分离池（19）中，利用超声波振动器（20）震荡清理Fe₃O₄微生物膜上的污泥，通过第三永久磁（21）产生的磁场吸附Fe₃O₄微生物膜向上移动，使其与污泥分离，污泥通过排污电磁阀（23）外排，清洗完的Fe₃O₄微生物膜重新泵入阳极室，开始新的脉动周期。

9.根据权利要求8所述的污水处理方法，其特征在于：所述步骤c中，所述Fe₃O₄微生物膜接种在阳极室内，保证阳极室内的内电阻小于40±5Ω，启动微生物燃料电池时，污水缓冲池和阳极室内的混合污水初始COD为1300±100mg/L，即生活废水与垃圾沥液的混合比例10:1。

10.根据权利要求9所述的污水处理方法，其特征在于：步骤d中，阳极室内上下脉动的单向流量为300±30mL/min，单向脉动流动持续时间为5s。

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