一种CW-MFC装置及运行方法

一种cw-mfc装置及运行方法
技术领域
1.本发明涉及水处理技术领域，尤其涉及一种cw-mfc装置及运行方法。


背景技术：

2.高浓度重金属对人体和环境有极大的危害，比如水体中重金属铬主要以cr(ⅵ)和cr(ⅲ)存在，cr(ⅵ)的毒性约为cr(ⅲ)的10～100倍。人工湿地微生物燃料电池(cw-mfc)作为一种可持续发展的能源技术，在去除废水中的有机污染物、总氮、重金属和其他污染物以及产电方面具有高效率和低成本的特点。
3.目前，有关人工湿地微生物燃料电池(cw-mfc
)
系统处理重金属的技术还停留在实验室研究阶段，运用此技术处理重金属废水的研究成果也较少，所以扩展重金属废水修复的内容尤为重要。有研究已经运用此技术来处理含cr(vi)废水，cr(vi)因其较高的氧化还原电位，更易与装置阳极释放的的电子结合而被还原，并且通过微生物、基质、植物等作用被装置去除。
4.如申请号为“202210034487.x”，专利名称为“一种人工湿地-微生物燃料电池连续处理装置”的发明专利公开了一种人工湿地-微生物燃料电池连续处理装置，包括人工湿地系统、微生物燃料电池系统和连续供水的废水供水系统；人工湿地系统包括反应容器，反应容器侧壁顶部和底部分别设有进水口和出水口，进水口和出水口之间填充有由砾石与污泥混合的混合物，混合物顶部设有种植着湿地植物的重金属截留区；微生物燃料电池系统包括设置在反应容器外的外电阻和分设在混合物底部和顶部的阳极、阴极，外电阻与阳极和阴极电连；废水中cr(vi)先于阴极处接收电子被还原，再在下渗时被湿地植物吸收富集，系统内微生物吸附/去除掉剩余重金属，从而降低废水对阳极处微生物的影响，保证具有高输出功率和足够净化效率处理连续供入的废水。但该专利运用下流式cw-mfc装置来处理cr(vi)废水，此装置的下流模式不适用于处理高有机负荷的废水，当高浓度cod废水从阴极流入，好氧微生物大量降解有机物并消耗大量溶解氧，会使阴极变成缺氧环境，不符合微生物燃料电池的构成条件，并且在高负荷有机废水的情况下很容易造成装置阴极基质材料的堵塞；另外其装置中间的玻璃纤维棉会增大系统内阻，影响重金属cr(vi)废水降解和产电，并且阳极没有获得足够的有机物作为电子供体，产生的电子数量少，不利于重金属cr(vi)的还原与去除。
5.又如申请号为“202010215646.7”，专利名称为“一种处理ppcp类新兴污染物的cw-mfc装置和方法”的发明专利公开了一种处理ppcp类新兴污染物的cw-mfc装置和方法。该专利提出的装置包括反应器、进水系统和外电路三部分，并提出利用连续流上流式的运行方式高效处理典型ppcp污染物cbz。装置及处理方法可通过化学、生物、物理相互协同作用高效且稳定的处理cbz。此外，装置构造简单、材料易得且无毒，成本低且环境污染小，处理方法操作简便，可处理废水同步产电，资源利用率高。但此装置产电量只有300
±
50mv，产出电压较低，处理的废水有机负荷较低，只有100～200mg/lcod，产电和处理效率都较低。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种cw-mfc装置及运行方法，本发明提供的cw-mfc装置具有较高的产电能力及重金属废水处理效率。
7.为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
8.本发明提供了一种cw-mfc装置，从下到上依次包括碎石层、第一石英砂层、第一焦炭层、第二石英砂层和第二焦炭层；
9.所述第一焦炭层中嵌入有阳极，所述第二焦炭层中嵌入有阴极；所述阳极和阴极均为碳纤维毡；所述阳极和阴极经外电路连接；
10.所述第二焦炭层表面种植湿地植物；
11.所述第二焦炭层连通曝气装置；
12.所述cw-mfc装置的底部设置进水口，顶部设置出水口。
13.优选的，所述碎石层的厚度为3～7cm，碎石的粒径为3～4cm。
14.优选的，所述第一石英砂层和第二石英砂层的厚度独立地为28～32cm，石英砂的粒径独立地为2～4mm。
15.优选的，所述第一焦炭层和第二焦炭层的厚度独立地为8～12cm，焦炭的粒径独立地为3～4mm。
16.优选的，所述湿地植物包括李氏禾、菖蒲和美人蕉中的一种或多种。
17.优选的，所述阳极和阴极的外部均包裹有不锈钢网，所述不锈钢网的规格为90～100目。
18.优选的，所述cw-mfc装置从下到上沿程设置取样口。
19.本发明提供了上述方案所述cw-mfc装置的运行方法，包括以下步骤：
20.将驯化后的厌氧污泥接种至阳极表面，通过进水口向接种厌氧污泥的cw-mfc装置中通入待处理重金属废水同时开启曝气装置，待废水充满装置后，在所述cw-mfc装置顶部种植湿地植物，达到预设停水力留时间后，从出水口排出净化后的废水。
21.优选的，所述水力停留时间为2～3天。
22.优选的，所述曝气量为4～8l/min。
23.本发明提供了一种cw-mfc装置，从下到上依次包括碎石层、第一石英砂层、第一焦炭层、第二石英砂层和第二焦炭层；所述第一焦炭层中嵌入有阳极，所述第二焦炭层中嵌入有阴极；所述阳极和阴极均为碳纤维毡；所述阳极和阴极经外电路连接；所述第二焦炭层表面种植湿地植物；所述第二焦炭层连通曝气装置；所述cw-mfc装置的底部设置进水口，顶部设置出水口。
24.本发明cw-mfc装置的工作原理为：cw-mfc由分隔的阳极和阴极通过外部电路连接在一起而构成，并通过产电微生物降解重金属废水中有机物而产生质子和电子，其阳极和阴极分别作为电子产生区和电子接受区。阳极(厌氧环境)可以接受来自微生物氧化底物所产生的电子，这些电子通过外部电路传输到阴极(好氧环境)，质子也经基质材料转移至阴极与电子受体相结合，整个过程通过氧化还原反应发电并把重金属废水中毒性大的物质去除。另外，植物根系产生的o2以及曝气作用所增加的溶解氧作为电子受体可间接增大装置的产电能力。
25.本发明的装置为垂直升流模式，一方面可以减缓装置的堵塞，另一方面可以给装
置阳极提供足够的碳源作为电子供体，能够产生大量电子，与阴极的重金属电子受体结合，高效率去除高浓度重金属废水，并提高产电量。
26.本发明增加的曝气装置，增加了装置的溶解氧，使阴极的电子受体增多，加快了装置电子转移速率与利用率，使装置产电能力显著提升，并提高了污染物去除效果。
27.本发明采用的基质(焦炭层)与电极材料具有较高的比表面积、高导电性和良好的生物相容性，可显著提高高浓度重金属废水中污染物去除效率。且选用的材料均无毒无害，处理后的溶液对环境污染较小。
28.本发明的装置采用无膜结构，没有玻璃纤维棉的隔绝，易于有机物、质子等物质由下至上传导，碳源能均匀分配至装置沿程，具有良好的氧化还原梯度分层，利于水质净化。
29.本发明的装置能够处理复合高浓度重金属废水，如zn、pb、cr等重金属废水。
30.本发明提供的装置构造简单、材料易得，且通常在常温，常压及接近中性的环境中运行，这使得系统的构造成本和维护成本低、安全性强。
附图说明
31.图1为本发明cw-mfc装置的结构示意图；
32.图2为常规cw装置的结构示意图。
具体实施方式
33.如图1所示，本发明提供了一种cw-mfc装置，从下到上依次包括碎石层、第一石英砂层、第一焦炭层、第二石英砂层和第二焦炭层；
34.所述第一焦炭层中嵌入有阳极，所述第二焦炭层中嵌入有阴极；所述阳极和阴极均为碳纤维毡；所述阳极和阴极经外电路连接；
35.所述第二焦炭层表面种植湿地植物；
36.所述第二焦炭层连通曝气装置；
37.所述cw-mfc装置的底部设置进水口，顶部设置出水口。
38.本发明提供的cw-mfc装置从下到上依次包括碎石层、第一石英砂层、第一焦炭层、第二石英砂层和第二焦炭层。
39.在本发明中，所述碎石层的厚度优选为3～7cm，更优选为5cm；碎石的粒径优选为3～4cm。在本发明中，碎石层可以稳定系统内水流流速，并过滤水中的杂质。
40.在本发明中，所述第一石英砂层和第二石英砂层的厚度独立地优选为28～32cm，更优选为30cm；石英砂的粒径独立地优选为2～4mm。在本发明中，石英砂层由于其纳污能力强，固定生物量大，对水中污染物具有良好的净化效果，并为水中微生物提供了良好的生存环境，而且运行周期长，具有较强的吸附作用。
41.在本发明中，所述第一焦炭层和第二焦炭层的厚度独立地优选为8～12cm，更优选为10cm；焦炭的粒径独立地优选为3～4mm。在本发明中，焦炭层一方面可对水体中污染物、离子进行吸附，为水中微生物创造了良好的生存环境，焦炭较大的孔隙率使水中微生物更好地附着在上面生长繁殖，增强了微生物对水中污染物的净化效果，另一方面焦炭具有导电性，提高了微生物燃料电池系统的产电能力。
42.在本发明中，所述第一焦炭层中嵌入有阳极，所述第二焦炭层中嵌入有阴极；所述
阳极和阴极均为碳纤维毡；所述阳极和阴极经外电路连接。
43.在本发明中，所述碳纤维毡的尺寸优选为5
±
1cm
×5±
1cm
×2±
0.5cm。
44.在本发明中，所述阳极和阴极的外部优选均包裹有不锈钢网，所述不锈钢网的规格优选为90～100目。本发明通过包裹一层不锈钢网来增加与电子的接触面积，以强化电子的转移。
45.在本发明中，所述阳极和阴极优选通过铜线接出，中间连接1000
±
50ω的外部电阻，形成闭合回路，暴露于液体中的铜线通过环氧树脂和橡皮管进行密封，防止其氧化，进而阻碍电子传导。另外，本发明优选使用电压表采集电压等数据。
46.在本发明中，所述第二焦炭层表面种植湿地植物。
47.在本发明中，所述湿地植物优选包括李氏禾、菖蒲和美人蕉中的一种或多种，更优选为李氏禾。在本发明中，李氏禾可以去除废水中的cr(ⅵ)，并且植物的根际泌氧可以增加阴极的电子受体。
48.在本发明中，所述第二焦炭层连通曝气装置。本发明利用曝气装置增加了装置的溶解氧，使阴极的电子受体增多，加快了装置电子转移速率与利用率，使装置产电能力显著提升，并提高对污染物的去除效果。
49.在本发明中，所述cw-mfc装置的底部设置进水口，顶部设置出水口。在本发明中，所述进水口和出水口优选设置在cw-mfc装置的同侧。
50.在本发明中，所述cw-mfc装置优选从下到上沿程设置取样口。在本发明中，所述取样口的位置优选设置在第一石英砂层、第一焦炭层和第二石英砂层的侧面。本领域技术人员可以根据实际需要调整取样口的位置和数量。
51.本发明提供了上述方案所述cw-mfc装置的运行方法，包括以下步骤：
52.将驯化后的厌氧污泥接种至阳极表面，通过进水口向接种厌氧污泥的cw-mfc装置中通入待处理重金属废水同时开启曝气装置，待废水充满装置后，在所述cw-mfc装置顶部种植湿地植物，达到预设停水力留时间后，从出水口排出净化后的废水。
53.本发明对所述厌氧污泥没有特殊要求，本领域熟知的厌氧污泥均可。在本发明中，所述厌氧污泥优选为至少驯化一周的厌氧污泥。
54.在本发明中，所述待处理重金属废水中的重金属优选包括cr(vi)，所述cr(vi)的浓度优选为120mg/l以下，更优选为40～120mg/l；所述待处理重金属废水的cod浓度优选为1000mg/l以下，更优选为100～1000mg/l。
55.在本发明中，所述曝气量优选为4～8l/min，更优选为5～7l/min；所述水力停留时间优选为2～3天。
56.本发明cw-mfc装置的工作原理为：cw-mfc由分隔的阳极和阴极通过外部电路连接在一起而构成，并通过产电微生物降解重金属废水中有机物而产生质子和电子，其阳极和阴极分别作为电子产生区和电子接受区。阳极(厌氧环境)可以接受来自微生物氧化底物所产生的电子，这些电子通过外部电路传输到阴极(好氧环境)，质子也经基质材料转移至阴极与电子受体相结合，整个过程通过氧化还原反应发电并把重金属废水中毒性大的物质去除。另外，植物根系产生的o2以及曝气作用所增加的溶解氧作为电子受体可间接增大装置的产电能力。
57.下面结合实施例对本发明提供的cw-mfc装置及运行方法进行详细的说明，但是不
能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
58.实施例1
59.如图1所示，本发明的cw-mfc装置采用聚氯乙烯材质的管材为容器，进水模式为连续垂直升流，内径为30cm，高85cm，有效储水容积为27l。在底部设置进水口，距装置底部20cm、40cm、60cm的位置设置沿程取样口，分别标记为s1、s2、s3，80cm处设置出水口，标记为s4。装置由下往上依次填充5cm碎石、30cm石英砂、10cm焦炭(阳极为嵌入到焦炭里面的碳纤维毡)、30cm石英砂、10cm焦炭(阴极为嵌入到焦炭里面的碳纤维毡)，装置表面种植李氏禾。选用的碎石、石英砂、焦炭的粒径范围分别为3～4cm、2～4mm、3～4mm，碳纤维毡的尺寸为：5cm
×
5cm
×
2cm。阴阳电极的外部包裹了一层不锈钢网来增加与电子的接触面积，以强化电子的转移，不锈钢网的规格为：90～100目。cw-mfc装置的阴阳极通过铜线接出，中间连接1000ω的外部电阻，形成闭合回路，暴露于液体中的铜线通过环氧树脂和橡皮管进行密封，防止其氧化，进而阻碍电子传导，使用电压表采集电压等数据。
60.系统启动前，先将驯化一周后的厌氧污泥通入反应器接种到阳极表面，系统接种污泥后，将人工配制的废水用蠕动泵持续通入装置中同时进行曝气，废水中cod浓度为400mg/l、cr(vi)浓度为40mg/l、nh
4+-n浓度为30mg/l、tp浓度为9mg/l，曝气量为6l/min，水力停留时间(hrt)为3天，废水充满装置后在装置顶部种植湿地植物李氏禾，系统启动期间每日监测沿程、出水水质及电压变化。
61.实施例2～9
62.与实施例1的不同之处仅在于废水的组成，实施例1～9的废水组成及运行条件见表1。
63.表1实施例1～9的废水组成及运行条件
[0064][0065][0066]
对比例1
[0067]
与实施例1的区别仅在于不进行曝气，实施例1和对比例1的处理结果见表2。
[0068]
表2实施例1和对比例1对重金属废水的处理效果
[0069][0070]
由表2可知，本发明通过增加曝气装置，增加了装置的溶解氧，使阴极的电子受体增多，加快了装置电子转移速率与利用率，使装置产电能力显著提升(表现为电压升高)，并提高了污染物去除效果。
[0071]
对比例2～10
[0072]
采用常规的cw装置对废水进行处理，cw装置的结构见图2，与实施例2～10的不同之处仅在于，cw装置的阴阳极未连接电阻箱。
[0073]
表3本发明实施例1～9的cw-mfc装置和对比例2～10的常规cw装置对重金属废水的去除效果
[0074][0075][0076]
由表3可知，曝气cw-mfc系统在cr(ⅵ)浓度为40～120mg/l时，相比常规曝气cw系统，在产电的同时提高了cr(ⅵ)去除率。这是因为外电路的存在促进了电子的转移，提高了系统的氧化还原反应速率，从而促进了cr(vi)的去除。
[0077]
由以上实施例和对比例可知，本发明提供的cw-mfc装置具有较高的产电能力及重金属废水处理效率。
[0078]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。