基于排阵型湿地微生物燃料电池供电的电芬顿污水处理系统及处理方法与流程

本发明属于水污染控制与水处理技术领域，具体涉及一种基于排阵型湿地微生物燃料电池高效供电的电芬顿水处理系统及方法。

背景技术：

染料废水具有成分复杂、色度深、含盐量高、难生化降解的特点，对公共卫生安全造成威胁，其环境安全效应越来越受到关注，对其处理工艺的研究也成为急需解决的问题。生物电芬顿法通过外加电能提供给电芬顿系统原位生成H₂O₂和Fe²⁺对难降解的染料分子进行氧化，提高废水可生化性。

有研究表明纳米铁碳微电解技术可以实现对大分子有机物的断链、发色与助色基团的脱色还原，可以有效提高废水的可生化性，但其对难降解有机物处理不彻底。同时相比传统的铁碳微电解工艺相比，纳米铁碳微电解技术可以有效地解决铁碳微电解过程中系统容易板结，处理效率下降的问题。

芬顿技术对难降解污染物的处理效果较好，但需要消耗大量Fe²⁺和H₂O₂成本较高。生物电芬顿法作为一种高效的水处理技术成为当今水处理技术领域的研究热点。与现有的其它酸性染料废水处理工艺相比，生物电芬顿法可用于处理COD和盐含量较高的毒性废水。有研究表明，运用生物电芬顿方法处理酸性染料废水，其优势主要体现在以下方面：环境友好、设备简易、自动化程度高。电芬顿系统以电化学反应产生的Fe²⁺和H₂O₂作为芬顿试剂的持续来源(2)电解过程中产生的具有强氧化性的·OH有助于打破酸性染料大分子的环状结构，提高酸性染料废水的可生化性。(3)反应条件容易控制，一般在常温条件下即可完成，可以单独处理也可以耦合其它处理工艺可操作性强。但是生物电芬顿系统需要消耗大量电能，这限制了生物电化学系统的实际应用。

人工湿地对于废水的处理能力已经得到确定，将人工湿地与微生物燃料电池耦合，充分利用人工湿地和微生物燃料电池各自的特点，进一步提高湿地的污水处理能力，不仅可以用于净化污水，同时可以收获电能供给其它工艺单元用电。但是目前人工湿地-微生物燃料电池存在内阻较大，输出电压和功率较低的缺陷，如何进一步提高电池的输出电压，提高其实用化性能还需要进一步探索。

目前还未有将以上技术有机结合起来的报道。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术存在的缺陷及不足，针对现有处理酸性染料废水存在的问题，本发明提供了一种基于排阵型湿地微生物燃料电池供电的电芬顿污水处理系统及处理方法，充分利用铁碳微电解-电芬顿系统提高废水的可生化性能，从而提高人工湿地微生物燃料电池的产电性能，并通过将人工湿地微生物燃料电池进行串并联提高输出电压供给电芬顿系统，并进一步进化水质，最终提高酸性染料的降解效果。

技术方案：

本发明所述的基于排阵型湿地微生物燃料电池供电的电芬顿污水处理系统，包括：

用于对污水进行预处理的纳米铁碳微电解反应区；

用于对纳米铁碳微电解反应区出水进行处理的电芬顿系统反应区；

用于电芬顿系统反应区出水进行处理并对其进行供电的排阵型湿地微生物燃料电池；

所述的纳米铁碳微电解反应区、电芬顿反应区、排阵型湿地微生物燃料电池依次相连；其中，所述的排阵型湿地微生物燃料电池为通过将多个湿地微生物燃料电池相连形成的湿地微生物燃料电池组；湿地微生物燃料电池组的阴极、阳极分别通过导线与电芬顿系统反应区的对应的阳极、阴极连接。

上述多个湿地微生物燃料电池相连包括水路的连接以及电路的连接。

所述的湿地微生物燃料电池组中，通过将湿地微生物燃料电池排阵成M排N列，其中M≥2，N≥2，同一排的湿地微生物燃料电池通过导线并联形成湿地微生物燃料电池子组，所有的湿地微生物燃料电池子组通过导线串联形成所述的湿地微生物燃料电池组。进一步的，2≤M≤6，2≤N≤6。

优选的，通过隔排串联的方式用导线将所有的湿地微生物燃料电池子组连接形成所述的湿地微生物燃料电池组。

所述电芬顿系统反应区的出水通过多条进水通路流入排阵型湿地微生物燃料电池，每条进水通路流经的湿地微生物燃料电池个数不超过12个。

所述纳米铁碳微电解反应区与电芬顿反应区之间设有集水池，所述纳米铁碳微电解反应区的底部带有进水口，顶部带有向所述集水池内跌水的出水口，所述电芬顿反应区的底部带有与所述集水池连通的水流进口。

所述的纳米铁碳微电解反应区包括反应池体，所述反应池体内通过布水板分割成上下布置的填料区和进水区，所述的进水区带有进水口，填料区填充有纳米铁碳微电解填料，所述填料区的顶部设有溢流堰。

本发明还提供了一种污水处理方法，包括：

(1)将污水通入纳米铁碳微电解反应区进行预处理；

(2)预处理后的出水通入电芬顿系统反应区进行处理；

(3)步骤(2)处理后的出水通入湿地微生物燃料电池进行降解，湿地微生物燃料电池产生的电能供给电芬顿系统反应区。

污水处理方法中，湿地微生物燃料电池为多个，排阵成M排N列，其中M≥2，N≥2，同一排的湿地微生物燃料电池通过导线并联形成湿地微生物燃料电池子组，所有的湿地微生物燃料电池子组通过导线串联形成湿地微生物燃料电池组。

污水处理方法中，所述电芬顿系统反应区的出水通过多点进水方式进入排阵型湿地微生物燃料电池，每条水路流经的湿地微生物燃料电池个数不超过12个。

污水处理方法中，纳米铁碳微电解反应区的出水经跌落后进入电芬顿系统反应区，采用跌水曝气的方式为水体充氧。

本发明针对的污水为酸性废水，具体可以为含酸性染料的废水，如弱酸性艳蓝、RAW、酸性蒽醌蓝、酸性红B等，pH在4-6之间。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明将纳米铁碳微电解、电芬顿、湿地微生物燃料电池多种技术进行优化组合，突出整体效应。通过铁碳微电解-电芬顿系统组合工艺对弱酸性染料废水中有毒有害的污染物进行预处理，提高废水的可生化性强化排阵型湿地微生物燃料电池的产电性能，并利用排阵型湿地微生物燃料电池产生的电能为电芬顿系统供电，整个装置无需外加能量，也无需添加化学药剂，脱色、去除污染物效果良好，是一种节能的水处理技术。

本发明较传统的弱酸性染料废水处理工艺相比，纳米铁碳微电解和电芬顿系统组合工艺增强了染料废水的预处理效果大大提高了废水的可生化性能，且纳米铁碳微电解为电芬顿系统提供Fe²⁺来源，减少了传统铁碳微电解中填料板结问题。出水通过跌水曝气提供溶解氧，供给电芬顿系统，整个过程无需外界提供物质和能量。利用排阵型湿地微生物燃料电池起深度去除作用，系统整体的去除效果更优。

本发明将人工湿地微生物燃料电池进行串并联排阵，通过将同排电池并联有效防止了电池组的短路，通过将若干排电池串联大大提高了系统的输出电压。通过将电池的进出水相连接可以极大提高污染物的降解效率，获得深层净化的效果。

本发明中，排阵型湿地微生物燃料电池不仅对污染物的去除效果更好，而且可以产生电能。

本发明系统操作简单，人工费用低，可以实现自动化控制，适合处理含弱酸性染料的废水。

附图说明

图1为本发明污水处理工艺流程图；

图2为基于排阵型湿地微生物燃料电池供电的电芬顿水处理系统的结构示意图；

图3为图2中排阵型湿地微生物燃料电池的进水流向示意图；

图4为图2中排阵型湿地微生物燃料电池电路连接示意图；

1-纳米铁碳微电解反应区，101-反应池体，102-布水板，103-填料区，104-进水区，105-进水口，106-溢流堰，107-阻挡板，2-电芬顿系统反应区，201-水流进口，202-三相分离器，203-水流出口，204-阳极，205-阴极，3-排阵型湿地微生物燃料电池，301-湿地微生物燃料电池，302-防渗层，303-阳极填料层，304-第一黄沙层，305-阴极填料层，306-湿地植物层，308-第二黄沙层，4-集水池，5-调节池。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1，本发明的污水处理方法包括：

(1)将污水通入纳米铁碳微电解反应区进行预处理；

(2)预处理后的出水通入电芬顿系统反应区进行处理；

(3)步骤(2)处理后的出水通入湿地微生物燃料电池进行降解，湿地微生物燃料电池产生的电能供给电芬顿系统反应区。

步骤(1)中，本发明针对的污水为弱酸性废水，具体可以为弱酸性染料废水。弱酸性染料废水通入纳米铁碳微电解反应区后，染料大分子在该区进行初步降解，实现大分子有机物的断链以及发色和祝色基团的还原从而提高废水的可生化性，并通过活性炭的吸附去除废水的COD、色度，得到的预处理水。

步骤(2)中，纳米铁碳微电解反应区的出水经跌落后进入电芬顿系统反应区(或称为电芬顿反应区)，出水在下落过程中与空气充分接触混入大量氧气，从而提高电芬顿系统反应区的水处理效果。经纳米铁碳微电解反应区预处理后的弱酸性染料废水中，难降解有机物已经部分断链、开环得到小分子的有机物，出水中含有反应生成的Fe²⁺，电芬顿系统反应区阳极生成Fe²⁺，O₂在阴极得电子生成H₂O₂，电芬顿系统反应区原位产生Fe²⁺和H₂O₂对难降解的染料分子进一步进行高级氧化，同时系统具有电极吸附、电混凝作用进一步降解有机物，生成小分子的化合物，羧酸类物质生成CO₂溢出。此时有毒有害的大分子有机物基本变为易被微生物降解的有机物，得到二次处理水。

步骤(3)中，步骤(2)的出水中含有大量被降解的染料分子的中间产物以及小分子的有机物，废水可生化性高。步骤(2)的出水通入湿地微生物燃料电池进行降解后排放，湿地微生物燃料电池产生的电能向电芬顿系统反应区供电。经过铁碳微电解和电芬顿系统所形成的大量小分子化合物可以迅速被产电菌利用，这将大大提高湿地微生物燃料电池的输出功率。另外，湿地的过滤截留作用也可以对污染物进行截留。湿地种植的高密度植物一方面利用其发达的根系对水中的污染物进行吸附，同时植物利用光合作用产生大量氧气，使得微生物燃料电池的阴极处于富氧状态，有利于提高其产电性能。

本发明中，湿地微生物燃料电池为多个，排阵成M排N列，其中M≥2，N≥2，同一排的湿地微生物燃料电池通过导线并联形成湿地微生物燃料电池子组，然后通过隔排串联的方式用导线将所有的湿地微生物燃料电池子组连接形成湿地微生物燃料电池组，产生的电能供给电芬顿系统反应区，增大电芬顿系统的电压，形成良性循环。

上述电芬顿系统反应区的出水通过多条水路进入排阵型湿地微生物燃料电池，每条水路流经的湿地微生物燃料电池个数不超过12个，以保证湿地微生物燃料电池的产电性能。

如图2，本发明基于排阵型湿地微生物燃料电池供电的电芬顿水处理系统包括：

用于对污水进行预处理的纳米铁碳微电解反应区1；

用于对纳米铁碳微电解反应区出水进行处理的电芬顿系统反应区2；

用于电芬顿系统反应区出水进行处理并对其进行供电的排阵型湿地微生物燃料电池3；

设于纳米铁碳微电解反应区1和电芬顿系统反应区2之间的集水池4；

设于电芬顿系统反应区2和排阵型湿地微生物燃料电池3之间的调节池5。

纳米铁碳微电解反应区1包括反应池体101，该反应池体101内通过布水板102分割成上下布置的填料区103和进水区104，布水板能够使水流更加均匀。进水区104的侧壁设有进水口105，填料区填充有纳米铁碳微电解微球，纳米铁碳微电解微球可采用现有技术中的产品，一般为铁粉和碳粉质量比1:1并将其固定在膨润土中反应所形成。填料区103的顶部设有溢流堰106。纳米铁碳微电解反应区1处理后的出水通过溢流堰溢流排出，跌落至集水池4内。为防止填料的流失，填料区在填料的上方还设有带孔的阻挡板107(阻挡板设置微孔，微孔的直径比滤料的直径小)。

本发明中，电芬顿系统反应区2采用现有结构，如其中一种可选择的结构但并不仅限于：电芬顿系统反应区2的下部侧壁带有水流进口201，水流进口201与集水池4相连通。电芬顿系统反应区2的顶部邻近出水位置设有三相分离器202，方便气、液、固的三相分离，经过分离的液体水通过电芬顿系统反应区2顶部设置的水流出口203溢出。电芬顿系统反应区2的阳极204为不锈钢网，阴极205为碳毡，电芬顿系统电流控制在0.5-1.2mA。电芬顿系统反应区2处理后的水通过水流出口203落入调节池5内。

排阵型湿地微生物燃料电池3(或称排阵型人工湿地微生物燃料电池)为多个湿地微生物燃料电池301相连形成的湿地微生物燃料电池组。湿地微生物燃料电池组中的单个湿地微生物燃料电池(或称人工湿地微生物燃料电池)均采用现有结构，如其中一种可选择的结构但并不仅限于：湿地微生物燃料电池301由下至上依次分别设有防渗层302、第一黄沙层304、阳极填料层(填充活性炭)303、第二黄沙层308，阴极填料层(填充活性炭)305、湿地植物层(种植美人蕉或者芦苇等根系发达植物，种植密度达到25-30株/m²)306，阴阳极外接导线并进行绝缘处理。湿地微生物燃料电池利用人工湿地下层厌氧环境，并加入活性炭形成阳极材料，利用植物根系分泌的氧气和活性炭形成阴极材料。每一个微生物燃料电池进水口位于第一黄沙层，出水口位于右侧顶部阴极填料层。

湿地微生物燃料电池组中，湿地微生物燃料电池排阵成M排N列，其中M≥2，N≥2。对于电路连接，同一排的湿地微生物燃料电池通过导线并联形成湿地微生物燃料电池子组，所有的湿地微生物燃料电池子组通过导线串联，串联时，通过隔排串联的方式用导线将所有的湿地微生物燃料电池子组连接形成上述的湿地微生物燃料电池组，这样的布置方式可以有效提高排阵型湿地微生物燃料电池的输出电压并防止相邻湿地微生物燃料电池发生短路的可能性。湿地微生物燃料电池组的阴极、阳极分别通过导线与对应的电芬顿系统反应区的阳极、阴极连接。对于水路连接，电芬顿系统反应区的出水通过多条进水通路进入排阵型湿地微生物燃料电池，即通过多条水路流经排阵型湿地微生物燃料电池，每条进水管流经的湿地微生物燃料电池个数不超过12个。

以6×4排阵的湿地微生物燃料电池组为例进行具体说明，图3显示了具体的排阵方式及进水流向，湿地微生物燃料电池组共设置成6排，分别为A、B、C、D、E、F，每排放置4个湿地微生物燃料电池。电芬顿系统反应区的出水调节池，调节池内的水通过两个进水点进入排阵型微生物燃料电池，其中一个处于湿地微生物燃料电池A1，进水沿S型依次流入每一个湿地微生物燃料电池后最后从湿地微生物燃料电池C4流出，另外一个处于湿地微生物燃料电池F1，进水依次流入每一个湿地微生物燃料电池后从湿地微生物燃料电池D4流出。图4显示了具体的电路连接方式，同一排的湿地微生物燃料电池通过导线并联形成湿地微生物燃料电池子组，即A1、A2、A3、A4和A5并联形成A子组，B1、B2、B3、B4和B5并联形成B子组，……以此类推。然后再通过隔排串联的方式用导线将所有的湿地微生物燃料电池子组连接，即A、C、E、B、D、F子组依次连接形成湿地微生物燃料电池组。

系统运行时，污水(如含弱酸性的染料废水)通过进水口105进入纳米铁碳微电解反应区的进水区104，通过布水板污水进行入填料区，污水在填料区103完成预处理后通过溢流堰排出跌落至集水池4内，污水在纳米铁碳微电解反应区的停留时间为2-3h。集水池4内的水通过水流进口201进入电芬顿系统反应区进行处理，在该反应区停留时间为2-3h，电芬顿系统反应区处理后的水通过水流出口203流入调节池，调节池可使下一步进水更均匀。调节池内的水流入排阵型湿地微生物燃料电池，停留24h-36h，出水中含有染料中间体和大量小分子化合物在湿地填料-微生物-植物-电化学多种联合作用下被去除，排阵型湿地微生物燃料电池所产生的电能供给电芬顿系统反应区。