CN113697938B - 一种微生物燃料电池装置及其耦合电活化过硫酸盐方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微生物燃料电池装置及其耦合电活化过硫酸盐方法，其特征在于，包括阴极反应池、阳极反应池、数据采集器、电化学工作站、阴极区进水池和阳极区出水池；阴极反应池与阳极反应池之间通过阳离子交换膜进行间隔；阴极反应池内设置有阴极电极，阴极电极并联连接数据采集器的正极接口和电阻的一端，电阻的另一端并联连接数据采集器的负极接口和电化学工作站；阳极反应池内设置有含铁污泥、阳极电极和参比电极，阳极电极和参比电极分别连接电化学工作站；阴极反应池的进水口连接阴极区进水池；阴极反应池的出水口通过调节池连接阳极反应池的进水口；阳极反应池的出水口连接阳极区出水池，本发明可广泛用于水体污染处理技术领域中。

Description

一种微生物燃料电池装置及其耦合电活化过硫酸盐方法

技术领域

本发明是关于一种微生物燃料电池装置及其耦合电活化过硫酸盐方法，属于水体污染处理技术领域。

背景技术

现今，全球环境面临挑战，特别是由于经济和工业化的快速增长造成的水体污染，已成为人类目前面临的最严重的威胁之一。水体中存在的有机污染物例如工业染料、杀虫剂、药品和个人护理品(PPCPs)，由于其高毒性和稳定性已引起人们广泛的关注。PPCPs作为一类新兴污染物对水环境的污染受到越来越多的关注。PPCPs的过度使用，尤其是抗生素的过度使用，对环境和人类健康均构成一定威胁。随着检测方式的进步，PPCPs在地表水中检测出的种类和数量均在不断增加，其对环境的影响和生态的毒性，使这种新兴污染物受到世界的普遍关注。尽管其在水环境中以痕量的形式存在，但是由于具有难降解性和持续输入性，使PPCPs呈现一种“持久性”的状态，从而成为水环境治理中一个亟待解决的问题。

近年来，基于硫酸根自由基(SO₄ ^-·)的高级氧化方式(SR-AOPs)成为有机污染物处理的热点，受到越来越多研究者的关注。与传统的基于羟基自由基(·OH)的高级氧化方式相比，SR-AOPs具有很大的优势，例如SO₄ ^-·具有较高的氧化还原电位(2.6-3.1V)，能够在较宽的pH范围内(2-8)降解有机污染物，选择性强且具有较长的半衰期(30-40μs)。过硫酸盐(PMS)自身比较稳定，需辅以一定的活化方式才能产生SO₄ ^-·，现有的活化方式主要有热活化、光活化、碱活化、过渡金属活化及电活化等，其中，电活化能够有效避免其他活化方式存在的反应体系苛刻、易二次污染、易腐蚀设备等问题。然而，目前电活化研究多局限于外电源供电，存在能耗高等问题。微生物燃料电池(MFC)是一种新型的废水处理及产电工艺。MFC阳极产电菌在降解底物后会产生电子，电子经外电路传递到阴极，电子受体在阴极接受电子，从而形成电流回路。利用MFC产生的电能取代传统电活化方式中的外电源，在高效降解废水的同时减小能耗。然而，MFC的产电效率较低，当外电阻为1000Ω时，其产生的电压一般为0.3～0.7V，远未达到实际应用的需求。

然而，目前现有的污水处理方法难以将包括典型PPCPs在内的污染物高效去除，操作方法较为复杂且成本较高。现有技术公开了一种微生物燃料电池耦合电解装置及处理PPCPs的工艺方法，利用MFC产生的电能，在生物处理工艺中上引入电场，以解决现有活性污泥工艺对某些PPCPs降解性能差，出水浓度高，且不需要外加电场，能够解决电解费用高的问题。然而，该方法并未对PPCPs降解后的中间产物进行处理，很多中间产物依然具有危害性，对环境依然造成影响。现有技术还公开了一种金属离子掺杂MoS₂活化单过硫酸盐降解PPCPs的方法，其目的在于合成金属离子掺杂MoS₂非均相材料作为催化剂，对单过硫酸盐活化后降解水体中的PPCPs污染物。然而，该方法依旧存在金属离子溶出、成本高、处理后仍存在中间产物等问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够高效去除PPCPs污染物的微生物燃料电池装置及其耦合电活化过硫酸盐方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一方面，提供一种微生物燃料电池装置，包括阴极反应池、阳极反应池、数据采集器、电化学工作站、阴极区进水池和阳极区出水池；

所述阴极反应池与所述阳极反应池之间通过阳离子交换膜进行间隔；

所述阴极反应池内设置有阴极电极，所述阴极电极并联连接所述数据采集器的正极接口和电阻的一端，所述电阻的另一端并联连接所述数据采集器的负极接口和所述电化学工作站，所述数据采集器用于实时监测所述电阻两端的电压；所述阳极反应池内设置有含铁污泥、阳极电极和参比电极，所述阳极电极和参比电极分别连接用于保持所述阳极反应池电势的所述电化学工作站；

所述阴极反应池的进水口连接用于容纳含PPCPs溶液和过硫酸盐溶液的所述阴极区进水池；所述阴极反应池的出水口通过调节池连接所述阳极反应池的进水口；所述阳极反应池的出水口连接所述阳极区出水池。

进一步地，所述阳极反应池的上方设置有气体采样袋，用于收集处理过程中产生的气体。

进一步地，所述阴极反应池和阳极反应池设置在水浴槽内，所述水浴槽的底部设置有恒温磁力搅拌器，所述恒温磁力搅拌器用于对所述阴极反应池和阳极反应池进行加热。

进一步地，所述电阻的一端连接所述电化学工作站的辅助电极接口；所述阳极电极的一端连接所述电化学工作站的工作电极接口；所述参比电极的一端连接所述电化学工作站的参比电极接口。

进一步地，所述阴极反应池的进水口通过进水泵连接所述阴极区进水池；所述阳极反应池的出水口通过出水泵连接所述阳极区出水池；所述阴极反应池的出水口依次通过第一水泵、所述调节池和第二水泵连接所述阳极反应池的进水口，所述第一水泵和第二水泵用于所述阴极反应池出水的回流，所述调节池用于调节所述阳极反应池进水的pH值和流量。

进一步地，所述阴极电极为石墨板电极，所述阳极电极为碳刷电极或石墨板电极。

另一方面，提供一种微生物燃料电池装置的耦合电活化过硫酸盐方法，包括：

设置微生物燃料电池装置；

向阳极反应池内通入人工培养液和含铁污泥，并向阴极反应池内通入人工培养液和过硫酸盐溶液；

开启电化学工作站，阳极反应池内的微生物进行培养和驯化；

数据采集器实时监测电阻两端的电压，当实时监测的电压稳定时，则微生物燃料电池装置成功启动；

保持阳极反应池内的溶液不变，将阴极反应池内的溶液更换为含PPCPs溶液和过硫酸盐溶液，对PPCPs进行高级氧化处理；

高级氧化处理后的中间产物通过调节池调节后，回流至阳极反应池进行进一步处理，处理完成后的溶液进入阳极区出水池内，完成PPCPs的循环处理过程。

进一步地，所述设置微生物燃料电池装置，包括：

将阴极电极设置在阴极反应池内，并分别连接数据采集器的正极接口和电阻的一端，将电阻的另一端连接数据采集器的负极接口和电化学工作站的辅助电极接口；

将参比电极设置在阳极反应池内，并将参比电极的一端连接电化学工作站的参比电极接口；

将阳极电极设置在阳极反应池内，并将阳极电极的一端连接电化学工作站的工作电极接口；

将阴极反应池的一开口与阳极反应池的一开口之间通过阳离子交换膜进行间隔；

将阴极反应池的进水口连接阴极区进水池，将阴极反应池的出水口通过调节池连接阳极反应池的进水口，并将阳极反应池的出水口连接阳极区出水池；

将阴极反应池和阳极反应池设置在水浴槽内，并在水浴槽的底部设置恒温磁力搅拌器。

进一步地，所述开启电化学工作站，阳极反应池内的微生物进行培养和驯化，包括：

开启电化学工作站，设置工作电势相对于标准氢电极，并开启恒温磁力搅拌器，对水浴槽内的阴极反应池和阳极反应池进行水浴加热；

阳极反应池内的电活性微生物利用有机底物产生电子，电子经外电路传递至阴极电极；

阳极反应池内的含铁污泥分解产生Fe²⁺、Fe³⁺，通过阳离子交换膜进入阴极反应池。

进一步地，所述保持阳极反应池内的溶液不变，将阴极反应池内的溶液更换为含PPCPs溶液和过硫酸盐溶液，对PPCPs进行高级氧化处理，包括：

保持阳极反应池内的溶液不变，打开进水泵，将阴极区进水池内的含PPCPs溶液和过硫酸盐溶液通过进水泵进入阴极反应池，当液面上升至完全淹没阴极反应池内的阴极电极时，关闭进水泵；

开启电化学工作站，设置工作电势相对于标准氢电极；

过硫酸盐溶液在阴极反应池内作为电子受体接受电子，产生硫酸根自由基；

含铁污泥分解产生的Fe²⁺和Fe³⁺活化过阴极反应池内的硫酸盐溶液，产生硫酸根自由基。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明由于在阳极反应池中加入含铁污泥，有利于电活性微生物的富集生长，电活性微生物利用有机底物产生电子，电子经外电路传递到阴极，过硫酸盐在阴极反应池中作为电子受体接受电子，产生硫酸根自由基。阳极反应池中的微生物降解含铁絮凝剂产生的Fe²⁺、Fe³⁺经阳离子交换膜传递至阴极反应池，实现过渡金属活化过硫酸盐产生硫酸根自由基，同时在阳极反应池中实现了污泥的减量化、无害化、资源化。

2、本发明在阴极反应池中，过硫酸盐经过电活化和过渡金属活化的双重活化作用产生的硫酸根自由基对PPCPs进行高级氧化处理，处理后的中间产物经调节池调节后，回流到阳极反应池，通过微生物的作用进一步强化处理，处理过程中产生的硫化氢等气体通过气体采样袋收集，并进行集中处理。同时，电活性微生物对某些中间产物的降解还有助于微生物燃料电池产电性能的提高，更加节能，可以广泛应用于水体污染处理技术领域中。

附图说明

图1是本发明一实施例提供的结构示意图。

图中各附图标记表示的部件名称如下：

1-阴极反应池；2-阳极反应池；3-阳离子交换膜；5-数据采集器；6-电阻；7-电化学工作站；8-含铁污泥；9-气体采样袋；10-阴极区进水池；11-泵；12-调节池；13-泵；14-阳极区出水池；15-水浴槽；16-恒温磁力搅拌器；17-进水泵；18-出水泵；

4-1-阴极电极；4-2-阳极电极；4-3参比电极；

7-1-辅助电极接口；7-2-工作电极接口；7-3-参比电极接口；

9-1-出气导管。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。

尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“上面”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。

本发明中采用的反应原理包括：

1、微生物燃料电池产电：

CH₃COOH+2H₂O→2CO₂+8e^-+8H⁺

2、活化过硫酸盐产生硫酸根自由基：

电活化：HSO₅ ^-+e^-→SO₄ ^-·+OH^-

过渡金属活化：Fe²⁺+HSO₅ ^-→Fe³⁺+SO₄ ^-·+OH^-

本发明实施例提供的微生物燃料电池装置及其耦合电活化过硫酸盐方法利用微生物燃料电池产生的电能以及含铁污泥中产生的Fe²⁺、Fe³⁺，实现对过硫酸盐的双重活化作用，高效降解PPCPs后的中间产物经过调节池回流至阳极区反应池，经过微生物的作用对中间产物进一步强化处理，同时提高微生物燃料电池产电性能。另外，本发明提供的用于高效处理PPCPs的微生物燃料电池装置在水处理中的应用、在提高PPCPs的处理效率以及电活化和过渡金属活化的双重活化中的应用，也属于本发明的保护范围。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种微生物燃料电池装置，包括阴极反应池1、阳极反应池2、阳离子交换膜3、电极、数据采集器5、电阻6、电化学工作站7、含铁污泥8、气体采样袋9、阴极区进水池10、泵11、调节池12、泵13和阳极区出水池14，其中，电极包括阴极电极4-1、阳极电极4-2和参比电极4-3。

阴极反应池1的一侧圆形开口与阳极反应池2的一侧圆形开口之间通过阳离子交换膜3进行间隔。

阴极反应池1内设置有阴极电极4-1，阴极电极4-1通过导线并联连接数据采集器5的正极接口和电阻6的一端，电阻6的另一端通过导线并联连接数据采集器5的负极接口和电化学工作站7，电阻6用于代替用电器件，数据采集器5用于实时监测电阻6两端的电压，即微生物燃料电池的输出电压。

阳极反应池2内设置有含铁污泥8、阳极电极4-2和参比电极4-3，阳极电极4-2和参比电极4-3通过导线分别连接电化学工作站7，电化学工作站7用于保持阳极反应池2电势的稳定，有利于产电微生物的生命活动，以及形成电流回路。阳极反应池2的上方设置有气体采样袋9，气体采样袋9用于收集处理过程中产生的硫化氢等气体。

阴极反应池1的进水口通过管道连接阴极区进水池10，阴极区进水池10用于容纳含PPCPs溶液和过硫酸盐溶液。阴极反应池1的出水口依次通过第一水泵11、调节池12和第二水泵13经管道连接阳极反应池2的进水口，第一水泵11和第二水泵13用于阴极反应池1出水的回流，调节池12用于调节阳极反应池2进水的pH值和流量。阳极反应池2的出水口通过管道连接阳极区出水池14，阳极区出水池14用于容纳处理完成后的溶液。

在一个优选的实施例中，阴极反应池1和阳极反应池2设置在水浴槽15内，水浴槽15的底部设置有恒温磁力搅拌器16，恒温磁力搅拌器16用于对水浴槽15内的阴极反应池1和阳极反应池2进行加热。

在一个优选的实施例中，电阻6的一端通过导线连接电化学工作站7的辅助电极接口7-1，阳极电极4-2的一端通过导线连接电化学工作站7的工作电极接口7-2，参比电极4-3的一端通过导线连接电化学工作站7的参比电极接口7-3。

在一个优选的实施例中，阴极反应池1的进水口通过进水泵17连接阴极区进水池10，阳极反应池2的出水口通过出水泵18连接阳极区出水池2。

在一个优选的实施例中，阳极反应池2的顶部通过出气导管9-1连接气体采样袋9。

在一个优选的实施例中，阴极电极4-1可以为石墨板电极。

在一个优选的实施例中，阳极电极4-2可以为碳刷电极或石墨板电极。具体地，碳刷电极的直径可以为30mm、长可以为60mm，石墨板电极的长可以为30mm、宽可以为6mm、高可以为60mm。更具体地，碳刷电极为碳纤维刷电极，各种尺寸的碳刷电极均适用，例如碳刷电极的结构参数可以为：碳纤维密度为1.75g/cm³，碳纤维直径为10微米，直径30mm，长60mm的碳刷电极碳纤维用量为6g。

在一个优选的实施例中，参比电极4-3设置在阳极反应池2内的中部一侧。

在一个优选的实施例中，参比电极4-3可以为Ag/AgCl电极。

在一个优选的实施例中，电阻6的阻值可以为1000Ω。

实施例2

本实施例提供一种微生物燃料电池装置的耦合电活化过硫酸盐方法，包括以下步骤：

1)设置实施例1中的微生物燃料电池装置，具体为：

1.1)将阴极电极4-1设置在阴极反应池1内，并分别连接数据采集器5的正极接口和电阻6的一端，将电阻6的另一端连接数据采集器5的负极接口和电化学工作站7的辅助电极接口7-1。

1.2)将参比电极4-3设置在阳极反应池2内，并将参比电极4-3的一端连接电化学工作站7的参比电极接口7-3。

1.3)将阳极电极4-2设置在阳极反应池2内，并将阳极电极4-2的一端连接电化学工作站7的工作电极接口7-2。

1.4)将阴极反应池1的一开口与阳极反应池2的一开口之间通过阳离子交换膜3进行间隔。

1.5)将阴极反应池1的进水口通过管道连接阴极区进水池10，将阴极反应池1的出水口依次通过第一水泵11、调节池12和第二水泵13经管道连接阳极反应池2的进水口，并将阳极反应池2的出水口通过管道连接阳极区出水池14。

1.6)在阳极反应池2的上方设置气体采样袋9。

1.7)将阴极反应池1和阳极反应池2设置在水浴槽15内，并在水浴槽15的底部设置恒温磁力搅拌器16。

2)向阳极反应池2内通入人工培养液和含铁污泥8，并向阴极反应池1内通入人工培养液和过硫酸盐溶液，用于阳极反应池2内微生物的辅助培养和驯化。

3)开启电化学工作站7，设置工作电势相对于标准氢电极为0.3V，并开启恒温磁力搅拌器16，对水浴槽15内的阴极反应池1和阳极反应池2进行水浴加热至30℃，阳极反应池2内的微生物进行培养和驯化，具体为：

3.1)开启电化学工作站7，设置工作电势相对于标准氢电极为0.3V，并开启恒温磁力搅拌器16，对水浴槽15内的阴极反应池1和阳极反应池2进行水浴加热至30℃。

3.2)阳极反应池2内的电活性微生物利用有机底物产生电子，电子经外电路传递至阴极电极4-1。

电子的传递方式具体为：电子从阳极电极4-2通过导线传递至电化学工作站7的工作电极接口7-2，再经电化学工作站7的内部电路传递至辅助电极接口7-1，再通过导线传递至阴极电极4-1。

3.3)阳极反应池2内的含铁污泥8分解产生Fe²⁺、Fe³⁺，通过阳离子交换膜3进入阴极反应池1。阳极反应池2内含铁污泥8的加入强化电活性微生物的活性，含铁污泥8分解产生的Fe²⁺、Fe³⁺能够强化过硫酸盐的活化，而特定的阳极电势也有利于电活性微生物的生长，电活化和过渡金属活化的双重活化作用强化过硫酸盐的活化。

4)数据采集器5实时监测电阻6两端的电压，当数据采集器5实时监测的电压稳定时，即当微生物燃料电池的输出电压维持在某一数值预设的时间时，则表明微生物燃料电池装置成功启动。

5)保持阳极反应池2内的溶液不变，将阴极反应池1内的溶液更换为含PPCPs溶液和过硫酸盐溶液，过硫酸盐溶液通过电活化和过渡金属活化的双重活化作用产生硫酸根自由基，对PPCPs进行高级氧化处理，具体为：

5.1)保持阳极反应池2内的溶液不变，打开进水泵17，将阴极区进水池10内的含PPCPs溶液和过硫酸盐溶液通过进水泵17进入阴极反应池1，当液面上升至完全淹没阴极反应池1内的阴极电极4-1时，关闭进水泵17。

5.2)开启电化学工作站7，设置工作电势相对于标准氢电极为0.3V。

5.3)过硫酸盐溶液在阴极反应池1内作为电子受体接受电子，产生硫酸根自由基。

5.4)含铁污泥8分解产生的Fe²⁺和Fe³⁺活化阴极反应池1内的过硫酸盐溶液，产生硫酸根自由基，同时在阳极反应池2内实现污泥的减量化、无害化和资源化。

6)打开第一水泵11和第二水泵13，高级氧化处理后的中间产物通过调节池12调节后，回流至阳极反应池2，通过微生物的作用进行进一步处理，处理过程中产生的硫化氢等气体通过气体采样袋9收集。

7)打开出水泵18，处理完成后的溶液通过阳极反应池2的出水口进入阳极区出水池14，完成高效循环处理PPCPs的过程。

在一个优选的实施例中，阴极电极4-1和阳极电极4-2在使用前依次经过酸和碱浸泡后进行烘干。具体地，酸为盐酸，碱为氢氧化钠的水溶液，酸和碱的浓度均为1mol/L，浸泡时间均为6～24h。更具体地，浸泡时间均为12h。

在一个优选的实施例中，过硫酸盐溶液的浓度为0.65mmol/L。

下面通过具体实施例详细说明本发明的微生物燃料电池装置的耦合电活化过硫酸盐方法：

1)设置实施例1中的微生物燃料电池装置，具体过程为：

取直径为30mm长为60mm的碳刷进行冲洗后，采用1mol/L的HCl溶液浸泡12h，进行水冲洗，再采用1mol/L的NaOH溶液浸泡12h后烘干备用。

取长为30mm宽为6mm高为60mm的石墨板进行冲洗后，采用1mol/L的HCl溶液浸泡12h，进行水冲洗，再采用1mol/L的NaOH溶液浸泡12h后烘干备用。

将碳刷电极设置在阳极反应池2内，并连接电化学工作站7的工作电极接口7-2。

将Ag/AgCl电极17设置在阳极反应池2内的左侧，并连接电化学工作站7的参比电极接口7-3。

将石墨板电极设置在阴极反应池1内，分别连接数据采集器5的正极接口和电阻6的一端，并将电阻6的另一端连接数据采集器5的负极接口和电化学工作站7的辅助电极接口7-1。

将阴极反应池1与阳极反应池2之间通过阳离子交换膜3进行间隔。

将阴极反应池1的进水口通过管道连接阴极区进水池10，将阴极反应池1的出水口依次通过第一水泵11、调节池12和第二水泵13经管道连接阳极反应池2的进水口，并将阳极反应池2的出水口通过管道连接阳极区出水池14。

在阳极反应池2的上方设置气体采样袋9。

将阴极反应池1和阳极反应池2设置在水浴槽15内，并在水浴槽15的底部设置恒温磁力搅拌器16。

2)通过注射器向阳极反应池2内通入人工培养液和含铁污泥8，并向阴极反应池1内通入人工培养液和过硫酸盐溶液。

3)开启电化学工作站7，设置工作电势相对于标准氢电极为0.3V，并开启恒温磁力搅拌器16，对水浴槽15内的阴极反应池1和阳极反应池2进行水浴加热至30℃，阳极反应池2内的微生物进行培养和驯化。

4)当数据采集器5实时监测的电压稳定时，则表明微生物燃料电池装置成功启动。

5)保持阳极反应池2内的溶液不变，将阴极反应池1内的溶液更换为含PPCPs溶液和过硫酸盐溶液，过硫酸盐溶液通过电活化和过渡金属活化的双重活化作用产生硫酸根自由基，对PPCPs进行高级氧化处理，具体过程为：

打开进水泵17，将阴极区进水池10内的浓度为10mg/L的阿昔洛韦溶液和0.65mmol/L的过硫酸盐溶液通过进水泵17进入阴极反应池1，当液面上升至完全淹没阴极反应池1内的阴极电极4-1时，关闭进水泵17。

开启电化学工作站7，设置工作电势相对于标准氢电极为0.3V，进行阿昔洛韦制药废水的处理；

6)打开第一水泵11和第二水泵13，高级氧化处理后的中间产物通过调节池12调节后，回流至阳极反应池2，通过微生物的作用进一步处理，处理过程中产生的硫化氢等气体通过气体采样袋9收集。

7)打开出水泵18，处理完成后的溶液通过阳极反应池2的出水口进入阳极区出水池14，完成高效循环处理PPCPs的过程。

通过上述方法，在阳极反应池2内，电活性微生物利用有机物产生电子，电子经外电路传递至阴极反应池，实现电活化过硫酸盐；阳极反应池2内的含铁污泥8降解产生的Fe^{2 +}、Fe³⁺通过阳离子交换膜3进入阴极反应池1，实现过渡金属活化过硫酸盐；过硫酸盐经活化后产生硫酸根自由基，对阿昔洛韦进行降解，一部分矿化为H₂O和CO₂，剩余部分为小分子有机物，将该溶液回流至阳极反应池2内进一步矿化。在该反应过程中，1个小时内，阿昔洛韦的去除率为97％；3个小时内，矿化率为80％；微生物燃料电池的最大功率密度为401mW/m²。

可以看出，本发明的方法可以实现电活化与过渡金属活化的双重活化作用，大大提高了过硫酸盐的活化效率，进而提高PPCPs的降解效率，中间产物通过回流至阳极反应池2被微生物进一步降解，能够提高PPCPs的矿化度，从而实现对PPCPs的高效降解，具有重要的应用价值。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (9)

1.一种微生物燃料电池装置，其特征在于，包括阴极反应池、阳极反应池、数据采集器、电化学工作站、阴极区进水池和阳极区出水池；

所述阴极反应池与所述阳极反应池之间通过阳离子交换膜进行间隔；

所述阴极反应池内设置有阴极电极，所述阴极电极并联连接所述数据采集器的正极接口和电阻的一端，所述电阻的另一端并联连接所述数据采集器的负极接口和所述电化学工作站，所述数据采集器用于实时监测所述电阻两端的电压；所述阳极反应池内设置有含铁污泥、阳极电极和参比电极，所述阳极电极和参比电极分别连接用于保持所述阳极反应池电势的所述电化学工作站；

所述阴极反应池的进水口连接用于容纳含PPCPs溶液和过硫酸盐溶液的所述阴极区进水池；所述阴极反应池的出水口通过调节池连接所述阳极反应池的进水口；所述阳极反应池的出水口连接所述阳极区出水池；

所述阴极反应池的进水口通过进水泵连接所述阴极区进水池；所述阳极反应池的出水口通过出水泵连接所述阳极区出水池；所述阴极反应池的出水口依次通过第一水泵、所述调节池和第二水泵连接所述阳极反应池的进水口，所述第一水泵和第二水泵用于所述阴极反应池出水的回流，所述调节池用于调节所述阳极反应池进水的pH值和流量。

2.如权利要求1所述的一种微生物燃料电池装置，其特征在于，所述阳极反应池的上方设置有气体采样袋，用于收集处理过程中产生的气体。

3.如权利要求1所述的一种微生物燃料电池装置，其特征在于，所述阴极反应池和阳极反应池设置在水浴槽内，所述水浴槽的底部设置有恒温磁力搅拌器，所述恒温磁力搅拌器用于对所述阴极反应池和阳极反应池进行加热。

4.如权利要求1所述的一种微生物燃料电池装置，其特征在于，所述电阻的一端连接所述电化学工作站的辅助电极接口；所述阳极电极的一端连接所述电化学工作站的工作电极接口；所述参比电极的一端连接所述电化学工作站的参比电极接口。

5.如权利要求1所述的一种微生物燃料电池装置，其特征在于，所述阴极电极为石墨板电极，所述阳极电极为碳刷电极或石墨板电极。

6.一种微生物燃料电池装置的耦合电活化过硫酸盐方法，其特征在于，包括：

设置如权利要求1至5任一项所述的微生物燃料电池装置；

向阳极反应池内通入人工培养液和含铁污泥，并向阴极反应池内通入人工培养液和过硫酸盐溶液；

开启电化学工作站，阳极反应池内的微生物进行培养和驯化；

数据采集器实时监测电阻两端的电压，当实时监测的电压稳定时，则微生物燃料电池装置成功启动；

保持阳极反应池内的溶液不变，将阴极反应池内的溶液更换为含PPCPs溶液和过硫酸盐溶液，对PPCPs进行高级氧化处理；

高级氧化处理后的中间产物通过调节池调节后，回流至阳极反应池进行进一步处理，处理完成后的溶液进入阳极区出水池内，完成PPCPs的循环处理过程。

7.如权利要求6所述的一种微生物燃料电池装置的耦合电活化过硫酸盐方法，其特征在于，所述设置微生物燃料电池装置，包括：

将阴极电极设置在阴极反应池内，并分别连接数据采集器的正极接口和电阻的一端，将电阻的另一端连接数据采集器的负极接口和电化学工作站的辅助电极接口；

将参比电极设置在阳极反应池内，并将参比电极的一端连接电化学工作站的参比电极接口；

将阳极电极设置在阳极反应池内，并将阳极电极的一端连接电化学工作站的工作电极接口；

将阴极反应池的一开口与阳极反应池的一开口之间通过阳离子交换膜进行间隔；

将阴极反应池的进水口连接阴极区进水池，将阴极反应池的出水口通过调节池连接阳极反应池的进水口，并将阳极反应池的出水口连接阳极区出水池；

将阴极反应池和阳极反应池设置在水浴槽内，并在水浴槽的底部设置恒温磁力搅拌器。

8.如权利要求6所述的一种微生物燃料电池装置的耦合电活化过硫酸盐方法，其特征在于，所述开启电化学工作站，阳极反应池内的微生物进行培养和驯化，包括：

开启电化学工作站，设置工作电势相对于标准氢电极，并开启恒温磁力搅拌器，对水浴槽内的阴极反应池和阳极反应池进行水浴加热；

阳极反应池内的电活性微生物利用有机底物产生电子，电子经外电路传递至阴极电极；

阳极反应池内的含铁污泥分解产生Fe²⁺、Fe³⁺，通过阳离子交换膜进入阴极反应池。

9.如权利要求6所述的一种微生物燃料电池装置的耦合电活化过硫酸盐方法，其特征在于，所述保持阳极反应池内的溶液不变，将阴极反应池内的溶液更换为含PPCPs溶液和过硫酸盐溶液，对PPCPs进行高级氧化处理，包括：

保持阳极反应池内的溶液不变，打开进水泵，将阴极区进水池内的含PPCPs溶液和过硫酸盐溶液通过进水泵进入阴极反应池，当液面上升至完全淹没阴极反应池内的阴极电极时，关闭进水泵；

开启电化学工作站，设置工作电势相对于标准氢电极；

过硫酸盐溶液在阴极反应池内作为电子受体接受电子，产生硫酸根自由基；

含铁污泥分解产生的Fe²⁺和Fe³⁺活化阴极反应池内的过硫酸盐溶液，产生硫酸根自由基。

Images