申请日2018.03.06
公开(公告)日2018.07.13
IPC分类号C02F3/28; C02F3/34; H01M8/16
摘要
本发明属于污水净化与废水资源化利用技术领域，公开了一种阴极催化膜耦合无膜微生物燃料电池用于焦化废水处理系统。具体涉及阳极室产电微生物厌氧氧化作用，协同阴极催化膜光/电催化降解作用及膜过滤作用降解污染物，间歇及连续运行模式均获得较高的降解率，达到污水处理和生物产电的设计目的。本发明的效果和益处是提高传统MFC的出水水质;利用石英砂填充中间层替代质子交换膜，降低成本;耦合系统微电场提升催化过滤膜使用寿命、催化氧化处理难降解物;反应体系占地小、流程短、处理效果好并且节能环保，利于开展放大实验和产业化。
权利要求书
1.一种阴极催化膜耦合无膜微生物燃料电池用于焦化废水处理系统，其特征在于，所述的阴极催化膜耦合无膜微生物燃料电池及焦化废水处理系统包括反应器、曝气装置和计算机数据采集系统;所述反应器为双室，阴极室设置曝气头曝空气，阴极为催化膜电极;两室之间为石英砂填充的中间室取代质子交换膜;阳极室中放置负载有产电微生物的活性炭颗粒，填充度75-85%，碳棒为导电阳极插入活性炭颗粒中，顶端密闭，有进水口;阴阳极之间连外电阻，阻值为1-1200Ω，外电阻连接数据采集系统，记录产生电压;阴极催化膜电极外连出水泵，由阴极催化膜过滤后出水。
2.根据权利要求1所述的阴极催化膜耦合无膜微生物燃料电池用于焦化废水处理系统，其特征在于，所述的阴极催化膜的制备方法，步骤如下：
所述的阴极催化膜为电催化膜或光电催化膜，阴极催化膜中的催化材料是与阳极存在费米能级差的半导体材料或具有电催化活性的材料;通过选择导电基底或通过添加导电材料增加电极的导电性，实现电子传递;将催化材料与成膜材料混合刮膜于基底上制备平板膜，直接将催化材料原位生长于基底上，或添加粘结剂涂覆于基底上，得到阴极催化膜。
3.根据权利要求1或2所述的阴极催化膜耦合无膜微生物燃料电池用于焦化废水处理系统，其特征在于，所述的阴极催化膜导电基底为不锈钢网、碳纤维布、泡沫镍或碳毡。
4.根据权利要求1或2所述的阴极催化膜耦合无膜微生物燃料电池用于焦化废水处理系统，其特征在于，所述的导电材料为碳纳米纤维、碳纳米管、石墨烯或铁粉，所述的成膜材料为聚偏氟乙烯或醋酸纤维素。
5.根据权利要求3所述的阴极催化膜耦合无膜微生物燃料电池用于焦化废水处理系统，其特征在于，所述的导电材料为碳纳米纤维、碳纳米管、石墨烯或铁粉，所述的成膜材料为聚偏氟乙烯或醋酸纤维素。
6.根据权利要求1、2或5所述的阴极催化膜耦合无膜微生物燃料电池用于焦化废水处理系统，其特征在于，所述的阴极电催化膜中的电催化剂为MnO2、CoFe2O4或FeOOH;所述的阴极光电催化膜中的半导体催化剂为TiO2、g-C3N4、SiC或WO3，阴极室外添加紫外或可见光光源。
7.根据权利要求3所述的阴极催化膜耦合无膜微生物燃料电池用于焦化废水处理系统，其特征在于，所述的阴极电催化膜中的电催化剂为MnO2、CoFe2O4或FeOOH;所述的阴极光电催化膜中的半导体催化剂为TiO2、g-C3N4、SiC或WO3，阴极室外添加紫外或可见光光源。
8.根据权利要求4所述的阴极催化膜耦合无膜微生物燃料电池用于焦化废水处理系统，其特征在于，所述的阴极电催化膜中的电催化剂为MnO2、CoFe2O4或FeOOH;所述的阴极光电催化膜中的半导体催化剂为TiO2、g-C3N4、SiC或WO3，阴极室外添加紫外或可见光光源。
9.根据权利要求1、2、5、7或8所述的阴极催化膜耦合无膜微生物燃料电池用于焦化废水处理系统，其特征在于，所述的阴极室中添加浓度为10-200mg/L的过硫酸盐或过二硫酸盐促进硫酸根自由基产生，辅助阴极催化作用。
10.根据权利要求9所述的阴极催化膜耦合无膜微生物燃料电池用于焦化废水处理系统，其特征在于，所述的焦化废水的COD为200-2500mg/L，在启动反应器前通过稀释焦化废水驯化阳极微生物后进水处理，阴极膜通过蠕动泵驱动过滤，运行模式为间歇式或连续式，连续式水力停留时间6h-48h。
说明书
一种阴极催化膜耦合无膜微生物燃料电池用于焦化废水处理系统
技术领域
本发明属于污水处理与难降解废水处理及资源化利用技术领域，涉及一种新的耦合阴极催化膜、无离子交换膜的微生物燃料电池反应器，在处理难降解焦化废水时，表现出良好效果。
背景技术
焦化废水是一类典型的难降解高浓度有机废水，是煤化工行业在炼焦工艺阶段产生的废水，其来源较为集中。我国目前是世界第一焦炭生产国和出口国，焦化废水的污染问题尤为严重。焦化废水成分复杂，有机物浓度高，色度高，毒性大，难降解，对焦化废水的处理已成为水处理行业的一大难题。为了达到国家对煤化工行业的污水排放标准，一般采用预处理、生物处理和深度处理三级处理方法，传统的焦化废水处理工艺流程复杂、处理效果较差，因此，需要设计一种节能、高效的污水处理工艺，实现焦化废水高效去除。
微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，简称MFC)技术是今年迅速发展的一种集废水生物处理及产能于一体新技术，不仅能够实现废水的净化处理，还能将化学能转化为电能。在阳极微生物的作用下，氧化降解污染物同时产生质子和电子，质子通过质子交换膜到达阴极，与外电路传递到阴极的电子还原O2形成H2O或者H2O2。然而，仅经单一MFC处理的出水水质差，处理的效率低是限制微生物燃料电池发展的瓶颈问题。而膜分离技术是一种高效节能的水处理技术，由于具有常温下操作、无相态变化、无化学变化、适应性强等特点被广泛应用各个领域。但一般的微滤或超滤不能截留小分子污染物，不能解决水中毒性难降解污染物的去除问题，因此将催化、高级氧化技术(光催化、电催化、光电催化、臭氧氧化、硫酸根自由基氧化等)与膜分离技术结合，可协同膜过滤及催化氧化作用去除污染物，从而提高出水水质。并克服膜分离技术存在的膜污染问题，膜污染导致处理过程中分离效果下降，常用的膜表面清洗方法及曝气方法的能耗高。本系统中通过结合微电场及催化作用可实现有效控制膜污染问题。微生物燃料电池技术与催化膜耦合用于实际污水处理，一方面，解决微生物燃料电池出水水质差的问题，另一方面利用燃料电池产生微电场及膜催化作用，减轻膜污染。微生物燃料电池技术的应用受制于其中离子交换膜和电极的成本，不使用离子交换膜，将降低成本。并且将电极与过滤膜耦合于一体，赋予电极膜过滤功能，也减少了额外材料和成本。进一步负载催化剂有助于在产电过滤的同时，实现难降解污染物的催化氧化，提升处理效率及降低成本。
本发明构建一种新型阴极催化膜耦合无离子交换膜微生物燃料电池反应器及焦化废水处理系统，利用阳极微生物厌氧处理废水，阴极催化膜(光)电催化及过滤提升出水水质;充分利用各自优势，实现连续高效处理;利用石英砂填充中间层替代质子交换膜，降低工艺运行成本，提升催化过滤膜使用寿命;并应用于难降解的实际焦化废水的处理，达到了高效处理及节能的目的。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型阴极催化膜耦合无离子交换膜微生物燃料电池反应器及焦化废水处理系统，解决微生物燃料电池出水水质差及焦化废水难处理、工艺流程复杂的问题。
本发明的技术方案：
一种阴极催化膜耦合无膜微生物燃料电池用于焦化废水处理系统，包括反应器、曝气装置和计算机数据采集系统;所述反应器为双室，阴极室设置曝气头曝空气，阴极为催化膜电极;两室之间为石英砂填充的中间室取代质子交换膜;阳极室中放置负载有产电微生物的活性炭颗粒，填充度75-85%，碳棒为导电阳极插入活性炭颗粒中，顶端密闭，有进水口;阴阳极之间连外电阻，阻值为1-1200Ω，外电阻连接数据采集系统，记录产生电压;阴极催化膜电极外连出水泵，由阴极催化膜过滤后出水。
所述的阴极催化膜的制备方法，步骤如下：
所述的阴极催化膜为电催化膜或光电催化膜，阴极催化膜中的催化材料是与阳极存在费米能级差的半导体材料或具有电催化活性的材料;需选择导电基底或通过添加导电材料增加电极的导电性，实现电子传递;将催化材料与成膜材料混合刮膜于基底上制备平板膜，直接将催化材料原位生长于基底上，或添加粘结剂涂覆于基底上等方式，得到阴极催化膜。
所述的阴极催化膜导电基底为不锈钢网、碳纤维布、泡沫镍或碳毡;添加导电材料为碳纳米纤维、碳纳米管、石墨烯或铁粉等，成膜材料为聚偏氟乙烯、醋酸纤维素等;
所述的阴极电催化膜中的电催化剂为MnO2、CoFe2O4或FeOOH。
所述的阴极光电催化膜中的半导体催化剂为TiO2、g-C3N4、SiC或WO3，阴极室外需添加紫外或可见光光源。
所述的阴极室可添加过硫酸盐或过二硫酸盐浓度为(10-200mg/L)，促进硫酸根自由基产生，辅助阴极(光)电催化作用。
上述反应器系统用于实际处理焦化废水：所述系统处理实际焦化废水COD范围为200-2500mg/L，在启动反应器前通过稀释焦化废水驯化阳极微生物后进水处理，阴极膜通过蠕动泵驱动过滤，运行模式为间歇式或连续式，连续式水力停留时间6h-48h。
本发明的有益效果：该无膜微生物燃料电池系统，利用阳极微生物厌氧处理废水，协同阴极催化膜(光)电催化作用及循环过滤性处理难降解焦化废水，充分利用各自优势，解决了传统MFC有机物分解效率低的问题，提升MFC的出水水质;利用石英砂填充中间层替代质子交换膜，降低工艺运行成本;耦合系统微电场提升催化过滤膜使用寿命;该反应体系占地小、流程短、处理效果好并且节能环保，利于开展放大和中试实验，以推进成果的产业化
