申请日2017.09.05
公开(公告)日2017.11.17
IPC分类号C02F9/14
摘要
本发明涉及一种耦合微生物燃料电池的芬顿流化床污水处理系统及其处理污水的方法，属于污水处理领域。本系统包括芬顿流化床、微生物燃料电池;芬顿流化床的出口与三通阀的入口连接，三通阀的出口Ⅰ与微生物燃料电池的阴极室入口连接，微生物燃料电池的阴极室出口与芬顿流化床的入口Ⅲ连接，微生物燃料电池的阳极室出口与芬顿流化床的入口Ⅱ连接，阳极室内设有附着有产电微生物的阳极电极。本系统将Fe3+还原为Fe2+、H2O2和O2还原为H2O，阴极室反应后液体中含有芬顿反应所需的Fe2+和硫酸，再次参与芬顿反应可提高硫酸和硫酸亚铁的利用率，减少硫酸和硫酸亚铁的加入量，从而节约处理成本。
摘要附图
CN107352758A[中文]
权利要求书
1.一种耦合微生物燃料电池的芬顿流化床污水处理系统，其特征在于：所述系统包括芬顿流化床、微生物燃料电池;所述芬顿流化床内设有穿孔板，所述穿孔板将芬顿流化床分为下区和上区，所述下区内设有旋流式布水器，所述旋流式布水器与进水管连接，所述进水管设有入口Ⅰ、入口Ⅱ、入口Ⅲ，所述上区内设有流化床填料，所述上区的上部设有入口Ⅳ，所述上区的顶部设有溢流堰一体式出水管;所述微生物燃料电池内设有质子交换膜，所述质子交换膜将微生物燃料电池分为阴极室和阳极室，所述阴极室内设有阴极电极，所述阳极室内设有附着有产电微生物的阳极电极，所述阴极电极通过外电阻与阳极电极连接，所述溢流堰一体式出水管与三通阀的入口连接，所述三通阀的出口Ⅰ与阴极室的入口连接，所述阴极室的出口与进水管的入口Ⅲ连接，所述阳极室设有污水入口，所述阳极室的出口与进水管的入口Ⅱ连接。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述芬顿流化床的下区内设有pH测试点。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述微生物燃料电池阳极室的出口通过泵Ⅱ与进水管的入口Ⅱ连接。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述三通阀的出口Ⅰ通过流量控制阀、泵Ⅰ与阴极室的入口连接。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述微生物燃料电池阴极室的出口通过泵Ⅲ与进水管的入口Ⅲ连接。
6.一种利用权利要求1、2、3、4或5所述系统处理污水的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
①将污水泵入微生物燃料电池阳极室内，经阳极室反应后，阳极室反应后液体由进水管的入口Ⅱ进入芬顿流化床的下区，与同时由进水管的入口Ⅰ进入芬顿流化床的下区的硫酸、硫酸亚铁混匀，混匀后与由上区的入口Ⅳ进入芬顿流化床的上区的双氧水进行芬顿反应;
②一部分经芬顿反应后液体进入微生物燃料电池阴极室内再反应，阴极室反应后液体由进水管的入口Ⅲ进入芬顿流化床的下区，与同时由进水管的入口Ⅱ进入芬顿流化床的下区的阳极室反应后液体混匀，重复步骤①再次进行芬顿反应。
7.根据权利要求6所述的污水处理方法，其特征在于：在与双氧水进行芬顿反应前，将所述污水的pH值调节至2-4。
说明书
一种耦合微生物燃料电池的芬顿流化床污水处理系统及其处理污水的方法
技术领域
本发明涉及一种耦合微生物燃料电池的芬顿流化床污水处理系统及其处理污水的方法，属于污水处理领域。
背景技术
芬顿氧化技术是目前国内外广泛应用的一种废水处理高级氧化技术。该技术所应用的芬顿试剂具有强氧化能力，因为，其中含有Fe2+和H2O2，H2O2被亚铁离子催化分解生成大量具有极强氧化性的羟基自由基(·OH)，由于·OH具有高氧化电位和无选择性，因此，可以降解氧化多种有机污染物。芬顿流化床技术将芬顿反应应用于流化床反应器体系，具有氧化效率高、运行费用低、反应产物无毒无害等优势。
然而在利用芬顿流化床处理污水的过程中，硫酸亚铁作为芬顿反应的催化剂，需要不断添加来维持体系的正常运行，而硫酸亚铁最终会随着芬顿反应后液体流出，导致其利用率低且药剂消耗量大。由于硫酸亚铁的大量投加，体系反应过程中会产生大量含铁污泥，不仅容易堵塞管道，而且后续需要经过中和、曝气氧化、絮凝沉淀处理，处理成本高，易造成二次污染。此外，芬顿流化床处理效果不稳定，对含低浓度污染物的污水处理效果较好，但对含高浓度污染物的污水处理效果不佳，进水水质的稳定性也很容易影响处理效果。
发明内容
本发明通过在传统芬顿流化床中引入微生物燃料电池，解决了上述问题。
本发明提供了一种耦合微生物燃料电池的芬顿流化床污水处理系统，所述系统包括芬顿流化床、微生物燃料电池;所述芬顿流化床内设有穿孔板，所述穿孔板将芬顿流化床分为下区和上区，所述下区内设有旋流式布水器，所述旋流式布水器与进水管连接，所述进水管设有入口Ⅰ、入口Ⅱ、入口Ⅲ，所述上区内设有流化床填料，所述上区的上部设有入口Ⅳ，所述上区的顶部设有溢流堰一体式出水管;所述微生物燃料电池内设有质子交换膜，所述质子交换膜将微生物燃料电池分为阴极室和阳极室，所述阴极室内设有阴极电极，所述阳极室内设有附着有产电微生物的阳极电极，所述阴极电极通过外电阻与阳极电极连接，所述溢流堰一体式出水管与三通阀的入口连接，所述三通阀的出口Ⅰ与阴极室的入口连接，所述阴极室的出口与进水管的入口Ⅲ连接，所述阳极室设有污水入口，所述阳极室的出口与进水管的入口Ⅱ连接。
本发明所述芬顿流化床的下区内优选设有pH测试点。
本发明所述微生物燃料电池阳极室的出口优选通过泵Ⅱ与进水管的入口Ⅱ连接。
本发明所述三通阀的出口Ⅰ优选通过流量控制阀、泵Ⅰ与阴极室的入口连接。
本发明所述微生物燃料电池阴极室的出口优选通过泵Ⅲ与进水管的入口Ⅲ连接。
本发明另一目的是提供一种利用上述系统处理污水的方法，所述方法包括如下步骤：
①将污水泵入微生物燃料电池阳极室内，经阳极室反应后，阳极室反应后液体由进水管的入口Ⅱ进入芬顿流化床的下区，与同时由进水管的入口Ⅰ进入芬顿流化床的下区的硫酸、硫酸亚铁混匀，混匀后与由上区的入口Ⅳ进入芬顿流化床的上区的双氧水进行芬顿反应;
②一部分经芬顿反应后液体进入微生物燃料电池阴极室内再反应，阴极室反应后液体由进水管的入口Ⅲ进入芬顿流化床的下区，与同时由进水管的入口Ⅱ进入芬顿流化床的下区的阳极室反应后液体混匀，重复步骤①再次进行芬顿反应。
在与双氧水进行芬顿反应前，将本发明所述污水的pH值优选为调节至2-4。
本发明的原理为：先将污水泵入微生物燃料电池阳极室，附着在阳极电极上的产电微生物催化氧化污水中的有机污染物，降低污水中的有机污染物浓度，同时产生的电子转移至阴极电极上;阳极电极上微生物降解有机污染物的速率与有机污染物的浓度相关，有机污染物浓度高，阳极电极上微生物活性高降解速度快，反之，有机污染物浓度低，阳极电极上微生物活性低降解速度慢，因此，阳极电极对污水水质具有缓冲作用。阳极室反应后液体进入进水管，与硫酸、硫酸亚铁在进水管内混匀，调节pH至2-4，通过旋流式布水器调匀水质，进入芬顿流化床的上区与双氧水混匀，进行芬顿反应，催化降解有机污染物。反应过程中一部分Fe2+被氧化成Fe3+，一部分H2O2分解产生O2，未反应的硫酸、Fe2+、H2O2及反应副产物Fe3+、O2随芬顿反应后液体流出。一部分芬顿反应后液体通过三通阀的出口Ⅱ进行后续中和、曝气氧化、絮凝沉淀处理，另一部分芬顿反应后液体进入微生物燃料电池阴极室，芬顿反应后液体中的Fe3+、H2O2和O2在阴极电极与电子及芬顿反应后液体中的质子结合，发生如下还原反应：
Fe3++e-→Fe2+
H2O2+2H++2e-→2H2O
O2+4H++4e-→2H2O
还原反应后Fe3+被还原成Fe2+，双氧水及氧气被还原成水，硫酸仅有少量消耗，得到的阴极室反应后液体中仅含有Fe2+、硫酸及未反应的有机污染物，阴极室反应后液体进入进水管与阳极室反应后液体混匀，不再需要或仅仅需要少量硫酸和硫酸亚铁即可进行芬顿反应，提高了硫酸和硫酸亚铁的利用率，减少了硫酸和硫酸亚铁的加入量，同时，减少了含铁污泥的产生量，节约了后续中和、曝气氧化、絮凝沉淀、污泥处理等工艺成本。
本发明有益效果为：
①本发明所述系统将Fe3+还原为Fe2+、H2O2和O2还原为H2O，阴极室反应后液体中含有芬顿反应所需的Fe2+和硫酸，再次参与芬顿反应可提高硫酸和硫酸亚铁的利用率，减少硫酸和硫酸亚铁的加入量，从而节约处理成本;
②本发明所述系统将Fe2+再次利用，减少了含铁污泥的产生量，既节约后续中和、曝气氧化、絮凝沉淀的药剂投加，又防止管道堵塞，节省含铁污泥处理成本;
③本发明所述系统耐负荷冲击能力强，污水处理效果稳定，污水先通过微生物燃料电池阳极室处理，一方面降低芬顿流化床的有机污染物负荷，另一方面对芬顿流化床的进水水质具有缓冲调节作用，使芬顿流化床保持稳定的污水处理效果。
