基于微生物燃料电池-芬顿系统对垃圾渗滤液的降解装置及方法与流程

[0001]
本发明涉及难降解污染物处理技术领域，具体涉及一种基于微生物燃料电池-芬顿系统对垃圾渗滤液的降解装置及方法。


背景技术：

[0002]
伴随城镇化、现代化进程加快，人们生活水平逐渐提高，城市规模不断扩大、城镇人口持续增长，同时产生了大量的生产和生活垃圾，“垃圾围城”现象日益严重。根据中国统计年鉴，近十年来全国城市生活垃圾清运量以每年1％-7％的速率增加，大量的垃圾产生了大量的垃圾渗滤液。垃圾渗滤液通常呈棕褐色或者黑色，并伴有恶臭，其水质受多种因素影响，滤液成分复杂、浓度多变，为世界上最难处置的废水之一。和其它废水相比，垃圾滲滤液水质具有以下几个特征：
①
成分复杂，苯环类物质种类繁多；
②
有机物、氨氮浓度高、变动范围大；
③
水质、水量波动范围大；
④
营养元素比例失调。如果利用传统的生物方法处理垃圾滲滤液，则存在处理效率低，成本高，二次污染等问题。
[0003]
针对目前垃圾渗滤液难于处理以及处理技术效率低、成本高的难题，考虑将生物处理方法与电化学方法相结合，用全新的生物电催化理念，来高效处理垃圾渗滤液。
[0004]
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的在于提供一种基于微生物燃料电池-芬顿系统对垃圾渗滤液的降解装置，其能够耦合微生物燃料电池与电芬顿系统，具有高效降解，节约能源，无二次污染的特点。为实现上述目的，本发明提供了一种基于微生物燃料电池-芬顿系统对垃圾渗滤液的降解装置，包括：燃料电池外壳，其内设置有左侧腔室和右侧腔室，左侧腔室和右侧腔室通过质子交换膜分隔开，左侧腔室为封闭式腔室，右侧腔室为敞开式腔室，其中，左侧腔室为电芬顿系统的阳极室，右侧腔室为电芬顿系统的阴极室，左侧腔室内设置有微生物燃料电池，通过微生物的作用来为电芬顿系统提供电压；阳极电极，其设置在左侧腔室内；两组第一阴极电极和一组第二阴极电极，其间隔设置在右侧腔室内，其中一组第一阴极电极与阳极电极通过第一外电路相连接，另一组第一阴极电极和第二阴极电极通过第二外电路相连接；以及第一电阻箱和第二电阻箱，其分别设置在第一外电路和第二外电路中。
[0006]
在一优选实施方式中，阳极电极和两组第一阴极电极的电极材料均为4-5片2mm厚的碳毡。
[0007]
在一优选实施方式中，第二阴极电极的电极材料为2mm厚的铁片。
[0008]
在一优选实施方式中，阳极室设置有活动盖板，燃料电池外壳采用有机玻璃材质，并用硅胶垫和螺丝固定密封。
[0009]
在一优选实施方式中，基于微生物燃料电池-芬顿系统对垃圾渗滤液的降解装置
还包括恒温加热器和空气泵，恒温加热器用于对降解装置进行水浴加热，空气泵用于向电芬顿系统的阴极室内输入空气。
[0010]
本发明还提供了一种基于微生物燃料电池-芬顿系统对垃圾渗滤液的降解方法，包括如下步骤：构建电芬顿系统的阳极室和阴极室，阳极室和阴极室由质子交换膜分隔开；在电芬顿系统的阳极室内设置微生物燃料电池和阳极电极；在电芬顿系统的阴极室内设置两组碳毡电极和一组铁片电极，并将一组碳毡电极与阳极电极通过第一外电路相连接，另一组碳毡电极和铁片电极通过第二外电路相连接；产电细菌聚集在阳极电极上，产电细菌在降解有机物的过程中产生的电子通过第一外电路进入电芬顿系统的阴极室；产电细菌在降解有机物的过程中产生的h
+
通过质子交换膜进入电芬顿系统的阴极室后，使电芬顿系统的阴极室里面的ph呈酸性；铁片电极发生氧化还原反应产生溶解态的亚铁离子fe
2+
；水中的溶解氧在电极表面发生还原反应，在酸性环境下，o
2
反应后最终生成h
2
o
2
；根据如下公式，溶液中产生的fe
2+
与h
2
o
2
发生芬顿反应：
[0011]
h
2
o
2
+fe
2+
+h
+
→
fe
3+
+h
2
o+
·
oh
[0012]
芬顿反应生成的羟基自由基与溶液中难降解的物质接触，以实现对其的降解。
[0013]
在一优选实施方式中，阳极电极的电极材料为4-5片2mm厚的碳毡。
[0014]
在一优选实施方式中，在第一外电路和第二外电路中分别设置有第一电阻箱和第二电阻箱，第一电阻箱和第二电阻箱的电阻调节范围为0～99999ω。
[0015]
在一优选实施方式中，采用直径为0.3mm的钛丝分别从碳毡电极引出接入至第一电阻箱、第二电阻箱，然后接入数据采集卡后与计算机相连接并构成回路。
[0016]
在一优选实施方式中，在电芬顿系统的阳极室设置活动盖板，以使电芬顿系统的阳极室形成封闭腔室，并始终处于厌氧环境，将电芬顿系统的阴极室设置为敞开腔室，并通过空气泵向电芬顿系统的阴极室内输入空气。
[0017]
与现有技术相比，本发明的基于微生物燃料电池-芬顿系统对垃圾渗滤液的降解装置及方法的有益效果如下：本发明的微生物燃料电池-芬顿系统对垃圾渗滤液的降解装置的燃料电池外壳包括左侧腔室和右侧腔室，左侧腔室和右侧腔室通过质子交换膜分隔开，左侧腔室为电芬顿系统的阳极室，右侧腔室为电芬顿系统的阴极室，左侧腔室内设置有微生物燃料电池和阳极电极，右侧腔室内设置两组碳毡电极和一组铁片电极，阳极电极和一组碳毡电极通过外电路相连接，铁片电极和另一组碳毡电极连接，从而将微生物燃料电池与电芬顿系统耦合在一起，吸收两者的优点，具有高效降解，节约能源，无二次污染等特点。有助于改善垃圾渗滤液排放造成的环境污染的问题，并可以提高水资源的循环利用，缓解水资源短缺的问题。高效利用了微生物燃料电池产生的电能，对于缓解能源匮乏，促进经济可持续发展具有重要意义。
附图说明
[0018]
图1为本发明的优选实施方式的降解装置的立体结构示意图。
[0019]
图2为本发明的优选实施方式的降解装置的原理示意图。
具体实施方式
[0020]
下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。本发明中
的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0021]
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
[0022]
实施例1
[0023]
如图1-2所示，根据本发明一优选实施方式的基于微生物燃料电池-芬顿系统对垃圾渗滤液的降解装置，包括：燃料电池外壳1、阳极电极2、两组第一阴极电极3、4和一组第二阴极电极5、微生物燃料电池(mfcs)、第一外电路、第二外电路、第一电阻箱6以及第二电阻箱7。燃料电池外壳1内设置有左侧腔室11和右侧腔室12，左侧腔室11和右侧腔室12通过质子交换膜13分隔开，左侧腔室11为封闭式腔室，右侧腔室12为敞开式腔室。左侧腔室11为电芬顿系统的阳极室，右侧腔室12为电芬顿系统的阴极室，左侧腔室11内设置有微生物燃料电池，通过微生物14的作用来为电芬顿系统提供电压。左侧腔室11内设置有阳极电极2，右侧腔室内间隔设置有两组第一阴极电极3、4和一组第二阴极电极5。第一阴极电极3、4均为碳毡电极，第二阴极电极5为铁片电极。第一组第一阴极电极3与阳极电极2通过第一外电路9相连接，第二组第一阴极电极4和第二阴极电极5通过第二外电路10相连接。第一电阻箱6和第二电阻箱7分别设置在第一外电路和第二外电路中，电阻箱的作用为调节电阻值从而改变电流强度。空气泵8用于向电芬顿系统的阴极室内输入空气。
[0024]
实施例2
[0025]
在一优选实施方式中，左侧腔室11和右侧腔室12对称相等，左侧腔室11和右侧腔室12的尺寸均为8cm
×
6cm
×
5cm。阳极电极2和两组第一阴极电极3、4的电极材料均为4-5片2mm厚的尺寸为4.5cm
×
5.0cm的碳毡。第二阴极电极5的电极材料为2mm厚的尺寸为3cm
×
4cm的铁片。阳极电极2通过导线与第一组阴极电极3想接连，第二阴极电极5与第二组第一阴极电4通过导线相连接。
[0026]
在一优选实施方式中，阳极室设置有活动盖板，燃料电池外壳采用有机玻璃材质，并用硅胶垫和螺丝固定密封。
[0027]
在一优选实施方式中，基于微生物燃料电池-芬顿系统对垃圾渗滤液的降解装置还包括恒温加热器，恒温加热器用于对降解装置进行水浴加热，以将实验温度控制28℃。
[0028]
本发明的基于微生物燃料电池-芬顿系统对垃圾渗滤液的降解原理为：
[0029]
燃料电池外壳内设置有左侧腔室和右侧腔室，左侧腔室为电芬顿系统的阳极室，大量的产电细菌聚集在碳毡电极上，产电细菌在降解有机物的过程中产生的电子会通过第一外电路经过第一电阻箱进入电芬顿系统的阴极室，而生成的h
+
会通过质子交换膜(pem)进入电芬顿系统的阴极室。
[0030]
大量的h
+
进入电芬顿系统的阴极室后，会造成电芬顿系统的阴极室里面的ph呈酸性，而纯铁片电极在酸性条件下则会发生公式(1)的氧化还原反应产生溶解态的亚铁离子fe
2+
：
[0031]
fe
→
fe
2+
+2e
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0032]
当电极上存在一定的电势时，水中的溶解氧(do)就会在电极表面发生还原反应，在酸性环境下，o
2
会发生一系列的反应，最终生成h
2
o
2
，具体发生的反应如下述公式(2)-(6)
所示：
[0033][0034][0035][0036][0037]
k＝9.7
×
l0
7
(mol.l-1
/)s-1
[0038]
以上各公式可合并成一个公式：
[0039][0040]
溶液中产生的fe
2+
与h
2
o
2
会发生芬顿反应：
[0041]
h
2
o
2
+fe
2+
+h
+
→
fe
3+
+h
2
o+
·
oh
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0042]
该反应是整个电芬顿反应的控制性过程，生成的羟基自由基(
·
oh)决定着整个反应的成败，
·
oh具有及其强的氧化性，它能与垃圾渗滤液中难降解的物质接触，从而实现对难降解的物质的降解，经过实验证明，阴极室里面的溶解氧浓度和电流强度会影响整个电芬顿的反应速率。
[0043]
实施例3
[0044]
本发明还提供了一种基于微生物燃料电池-芬顿系统对垃圾渗滤液的降解方法，包括如下步骤：构建电芬顿系统的阳极室和阴极室，阳极室和阴极室由质子交换膜分隔开；在电芬顿系统的阳极室内设置微生物燃料电池和阳极电极；在电芬顿系统的阴极室内设置两组碳毡电极和一组铁片电极，并将一组碳毡电极与阳极电极通过第一外电路相连接，另一组碳毡电极和铁片电极通过第二外电路相连接；产电细菌聚集在阳极电极上，产电细菌在降解有机物的过程中产生的电子通过第一外电路进入电芬顿系统的阴极室；产电细菌在降解有机物的过程中产生的h
+
通过质子交换膜进入电芬顿系统的阴极室后，使电芬顿系统的阴极室里面的ph呈酸性；铁片电极发生氧化还原反应产生溶解态的亚铁离子fe
2+
；水中的溶解氧在电极表面发生还原反应，在酸性环境下，o
2
反应后最终生成h
2
o
2
；根据如下公式，溶液中产生的fe
2+
与h
2
o
2
发生芬顿反应：
[0045]
h
2
o
2
+fe
2+
+h
+
→
fe
3+
+h
2
o+
·
oh
[0046]
芬顿反应生成的羟基自由基与溶液中难降解的物质接触，以实现对其的降解。
[0047]
在一优选实施方式中，阳极电极的电极材料为4-5片2mm厚的碳毡。
[0048]
在一优选实施方式中，在第一外电路和第二外电路中分别设置有第一电阻箱和第二电阻箱，第一电阻箱和第二电阻箱的电阻调节范围为0～99999ω。
[0049]
在一优选实施方式中，采用直径为0.3mm的钛丝分别从碳毡电极引出接入至第一电阻箱、第二电阻箱，然后接入数据采集卡后与计算机相连接并构成回路。
[0050]
在一优选实施方式中，在电芬顿系统的阳极室设置活动盖板，以使电芬顿系统的阳极室形成封闭腔室，并始终处于厌氧环境，将电芬顿系统的阴极室设置为敞开腔室，并通
过空气泵向电芬顿系统的阴极室内输入空气。
[0051]
综上所述，本发明的基于微生物燃料电池-芬顿系统对垃圾渗滤液的降解装置及方法适用于处理城市垃圾渗滤液类难降解废水，当待处理垃圾渗滤液的成分十分复杂、含有大量苯环类难降解物质或者cod比较大时，此系统可用作垃圾渗滤液的预处理，通过此高级氧化提高其可生化性，后面接厌氧反应即可达到去除目的。本发明能够实现高效降解，节约能源，无二次污染等优点。
[0052]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。