一种堆栈式微生物燃料电池废水处理系统及方法

技术领域

本发明涉及一种堆栈式微生物燃料电池废水处理系统及方法，特别是一种能够直接从废水中提取电能的处理系统及方法，属于污水处理技术领域。

背景技术

随着我国工业化的发展，在传统化石能源储量不断减少的同时，水污染问题日趋严重；工业用水和生活用水的增加，使得污水的数量与日俱增；为了提升水环境质量，我国采用了多种污水处理方法，其中，微生物燃料电池是近年来出现的一种新型污水处理和生物修复技术，其具有同时去除有机污染物和获得能源的特点；微生物燃料电池是利用微生物作为电极催化剂直接从污水中提取电能的一种新型生物电化学系统，这种具有成本效益的水处理技术成为了污水处理以及新能源开发领域的研究热点；尽管微生物燃料电池具有诸多优点和广泛的应用领域，但是其较低的输出功率成为大面积普及应用的瓶颈；目前，微生物燃料电池不能实现规模化应用的主要原因有a.阴极多采用铂碳材料，其不仅提高了反应器的构建成本，还限制了其大型化和实用化的可能性，b.单个微生物燃料电池的电化学性能和处理污水能力有限，c.反应器内的游离电子不能够快速传递到阳极表面，反应迟缓，d.污水在反应器内流动不充分，不能够有效地与微生物进行反应。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种堆栈式微生物燃料电池废水处理系统及方法，其能够解决现有微生物燃料电池处理废水耗能巨大和不能有效回收污水化学能的问题。

本发明所述问题是通过以下技术方案解决的：

一种堆栈式微生物燃料电池废水处理系统，包括阳极室、空气阴极、恒温储液池、脉动供液部分、磁控部分和生物膜清洗部分；所述空气阴极的数量为多个，且其均设置在阳极室上；所述恒温储液池与阳极室之间通过管道连接；所述脉动供液部分设置在阳极室内，且其与恒温储液池连接；所述磁控部分设置在阳极室的外界；所述生物膜清洗部分设置在阳极室和恒温储液池之间。

上述堆栈式微生物燃料电池废水处理系统，所述阳极室由不导电聚碳酸酯板制作而成；所述空气阴极的数量在5-50个范围内；所述空气阴极包括表面积为0.0075m

上述堆栈式微生物燃料电池废水处理系统，所述脉动供液部分包括上分布器、下分布器、脉动喷嘴、脉动液流母管、平稳液流母管、第一通液口、第二通液口和蠕动泵；所述阳极室内壁顶端设置有上分布器，阳极室的底端设置有下分布器，上分布器和下分布器的结构相同，均为板状，且其均匀分布设置有多个通孔；所述脉动喷嘴的数量为多个，且其数量少于下分布器通孔的数量，脉动喷嘴插设在下分布器的通孔内；所述脉动液流母管处于阳极室内，且其位于下分布器的下方，脉动液流母管的第一端与脉动喷嘴底端接口连通，脉动液流母管的第二端穿设阳极室侧壁；所述平稳液流母管的顶端接口与阳极室底端面连通；第五连接管的第一端与第二连接管连通，且第五连接管的第一端位于第二通液口与上脉动回水电磁阀之间；第六连接管的第一端与平稳液流连接管连通，且第六连接管的第一端位于平稳液流母管与下脉动回水电磁阀之间；第五连接管的第二端和第六连接管的第二端均与第七连接管的第一端连通，且第七连接管的第二端与恒温储液池连接；所述第七连接管上设置有蠕动泵，第五连接管上设置有第五电动阀门，第六连接管上设置有第六电动阀门；所述第一通液口设置在阳极室的底端，第二通液口设置在阳极室的顶端。

上述堆栈式微生物燃料电池废水处理系统，所述脉动液流母管通过脉动液流连接管与恒温储液池连接，且脉动液流连接管上沿着脉动液流母管指向恒温储液池的方向依次排列设置有第一流量计、第一电动阀门和第一循环泵；所述平稳液流母管通过平稳液流连接管与恒温储液池连接，且平稳液流连接管上设置有下脉动回水电磁阀；所述第一通液口通过第一连接管与恒温储液池连接，且第一连接管上沿着第一通液口指向恒温储液池的方向依次排列设置有第二流量计、第二电动阀门和第二循环泵；所述第一电动阀门和第二电动阀门均与信号发生器连接；所述第二通液口通过第二连接管与恒温储液池连接，且第二连接管上设置有上脉动回水电磁阀。

上述堆栈式微生物燃料电池废水处理系统，所述磁控部分包括第一电磁机构、第二电磁机构、第一半圆形电磁机构和第二半圆形电磁机构；所述第一电磁机构设置在阳极室的正上方，第二电磁机构设置在阳极室的正下方；所述第一半圆形电磁机构和第二半圆形电磁机构对称设置在阳极室的两侧，第一半圆形电磁机构和第二半圆形电磁机构的磁场强度均在330mT-370mT范围内；所述第一电磁机构和第二电磁机构的磁场强度均在285mT-315mT范围内。

上述堆栈式微生物燃料电池废水处理系统，所述生物膜清洗部分包括分离池、超声波振荡器和第三电磁机构；所述阳极室的侧壁上设置有第三通液口，第三通液口通过第三连接管与分离池的进液口连通，分离池的出液口通过第四连接管与恒温储液池连通；所述第三连接管上设置有第三电动阀门；所述第四连接管上设置有第四电动阀门；所述超声波振荡器设置在分离池的一侧；所述第三电磁机构设置在分离池的正上方，第三电磁机构的磁场强度在285mT-315mT范围内；所述分离池的底端设置有排污电磁阀。

上述堆栈式微生物燃料电池废水处理系统，所述恒温储液池上设置有压力计、水质检测器、污水进接口和排污接口；所述阳极室的顶端设置有泄压阀；所述外部用电器同时与空气阴极和阳极铜板连接，且监控电脑与外部用电器连接。

一种堆栈式微生物燃料电池废水处理方法，包括如下步骤：

步骤一：制备Fe

步骤二：启动蠕动泵，打开第六电动阀门和泄压阀，将恒温储液池内的污水注入阳极室内，直到其体积占据阳极室内空间的80％；恒温储液池和阳极室内的混合污水初始COD在1050mg/L-1350mg/L范围内；然后向恒温储液池内补充垃圾沥液；然后将驯化后的Fe

步骤三：启动蠕动泵、打开第六电动阀门和上脉动回水电磁阀，打开第二电磁机构，实现阳极室内的Fe

在上述操作的同时，第一半圆形电磁机构34和第二半圆形电磁机构35通电，且开启第一循环泵和第二循环泵，同时打开第一电动阀门和第二电动阀门，将恒温储液池中的污水抽入脉动液流母管和第一通液口内；污水通过第一通液口进入阳极室，且污水还通过脉动液流母管以脉动形式从脉动喷嘴内喷出；上述操作使得阳极室内的Fe

在污水处理过程中，由于Fe

步骤四：在污水处理过程中，利用监控电脑每隔十分钟收集记录依次电压数据，当电压呈现下降趋势且小于250mv时，打开排污接口将恒温储液池内处理好的污水排出，并且通过污水进接口向恒温储液池内补充新的污水；

当阳极室内污水中的COD小于100mg/L、氨氮含量小于25mg/L和磷元素含量小于3mg/L时，阳极室内的污水自下而上循环流动五分钟，打开第一电磁机构，将Fe

上述一种堆栈式微生物燃料电池废水处理方法，阳极室内接种的Fe

上述一种堆栈式微生物燃料电池废水处理方法，在步骤三过程中，污水从脉动喷嘴内喷出的流速呈线性变化，流速从0cm/s到10cm/s，再从10cm/s到0cm/s，此周期时间为5s。

本发明在阳极室内采用高导电率、较大空隙和比面积较高的纳米Fe

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明阳极室立体立体结构示意图；

图3为本发明下分布器立体结构示意图；

图4为本发明第一半圆形电磁机构和第二半圆形电磁机构的结构示意图。

图中各标号清单为：1.阳极室，2.空气阴极，2-1.碳毡，2-2.膜电极组件，3.恒温储液池，4.固定器，5.阳极铜板，6.上分布器，7.下分布器，8.脉动喷嘴，9.脉动液流母管，10.平稳液流母管，11.第一通液口，12.第二通液口，13.蠕动泵，14.第五连接管，15.第六连接管，16.第七连接管，17.第五电动阀门，18.第六电动阀门，19.第一流量计，20.第一电动阀门，21.第一循环泵，22.脉动液流连接管，23.平稳液流连接管，24.下脉动回水电磁阀，25.第一连接管，26.第二流量计，27.第二电动阀门，28.第二循环泵，29.信号发生器，30.第二连接管，31.上脉动回水电磁阀，32.第一电磁机构，33.第二电磁机构，34.第一半圆形电磁机构，35.第二半圆形电磁机构，36.分离池，37.超声波振荡器，38.第三电磁机构，39.第三通液口，40.第三电动阀门，41.第四电动阀门，42.排污电磁阀，43.压力计，44.水质检测器，45.污水进接口，46.排污接口，47.泄压阀，48.外部用电器，49.监控电脑。

具体实施方式

参看图1、2、3和图4，本发明包括阳极室1、空气阴极2、恒温储液池3、脉动供液部分、磁控部分和生物膜清洗部分；所述空气阴极2的数量为多个，且其均设置在阳极室1上；所述恒温储液池3与阳极室1之间通过管道连接；恒温储液池内储存有污水；所述脉动供液部分设置在阳极室1内，且其与恒温储液池3连接；所述磁控部分设置在阳极室1的外界；所述生物膜清洗部分设置在阳极室1和恒温储液池3之间。

所述阳极室1由不导电聚碳酸酯板制作而成；所述空气阴极2的数量在5-50个范围内；所述空气阴极2包括表面积为0.0075m

所述脉动供液部分包括上分布器6、下分布器7、脉动喷嘴8、脉动液流母管9、平稳液流母管10、第一通液口11、第二通液口12和蠕动泵13；分布器能够防止阳极室1内的Fe

第五连接管14的第一端与第二连接管30连通，且第五连接管14的第一端位于第二通液口12与上脉动回水电磁阀31之间；第六连接管15的第一端与平稳液流连接管23连通，且第六连接管15的第一端位于平稳液流母管10与下脉动回水电磁阀24之间；第五连接管14的第二端和第六连接管15的第二端均与第七连接管16的第一端连通，且第七连接管16的第二端与恒温储液池3连接；第七连接管16能够为第五连接管14和第六连接管15提供液流供给；所述第七连接管16上设置有蠕动泵13，蠕动泵13是第七连接管16泵液的动力源；第五连接管14上设置有第五电动阀门17，第六连接管15上设置有第六电动阀门18；所述第一通液口11设置在阳极室1的底端，第二通液口12设置在阳极室1的顶端。

所述脉动液流母管9通过脉动液流连接管22与恒温储液池3连接，且脉动液流连接管22上沿着脉动液流母管9指向恒温储液池3的方向依次排列设置有第一流量计19、第一电动阀门20和第一循环泵21；第一流量计19监测脉动液流连接管22上的流量，第一电动阀门20控制脉动液流连接管22内流量的大小，第一循环泵21为脉动液流连接管22内液体提供动力；所述平稳液流母管10通过平稳液流连接管23与恒温储液池3连接，且平稳液流连接管23上设置有下脉动回水电磁阀24；下脉动回水电磁阀24用于控制平稳液流连接管23的通断。

所述第一通液口11通过第一连接管25与恒温储液池3连接，且第一连接管25上沿着第一通液口11指向恒温储液池3的方向依次排列设置有第二流量计26、第二电动阀门27和第二循环泵28；所述第一电动阀门20和第二电动阀门27均与信号发生器29连接；第一流量计19和第二流量计26能够检测液流流量的大小，信号发生器29能够控制第一电动阀门20和第二电动阀门27的动作，且其对应管道的脉动形式通过信号发生器29来进行控制；所述第二通液口12通过第二连接管30与恒温储液池3连接，且第二连接管30上设置有上脉动回水电磁阀31，上脉动回水电磁阀31控制第二连接管30的通断。

所述磁控部分包括第一电磁机构32、第二电磁机构33、第一半圆形电磁机构34和第二半圆形电磁机构35；所述第一电磁机构32设置在阳极室1的正上方，第二电磁机构33设置在阳极室1的正下方；所述第一半圆形电磁机构34和第二半圆形电磁机构35对称设置在阳极室1的两侧，第一半圆形电磁机构34和第二半圆形电磁机构35的磁场强度均在330mT-370mT范围内；通过圆形磁场，可以使得阳极室1内的磁性颗粒做不规则环绕运动，使得粒子能够与污水更加充分接触，使反应更完全；所述第一电磁机构32和第二电磁机构33的磁场强度均在285mT-315mT范围内；各个电磁机构通电即可为阳极室1内提供不同的磁场，从而控制Fe

所述生物膜清洗部分包括分离池36、超声波振荡器37和第三电磁机构38；所述阳极室1的侧壁上设置有第三通液口39，第三通液口39通过第三连接管与分离池36的进液口连通，分离池36的出液口通过第四连接管与恒温储液池3连通；所述第三连接管上设置有第三电动阀门40；打开第三电动阀门40后即可将阳极室1内的污水通过第三连接管排放至分离池36内；所述第四连接管上设置有第四电动阀门41；所述超声波振荡器37设置在分离池36的一侧；超声波振荡器37能够将粘附在Fe

所述恒温储液池3上设置有压力计43、水质检测器44、污水进接口45和排污接口46；所述阳极室1的顶端设置有泄压阀47，系统在运行的过程中，阳极室1内会产生气体，泄压阀47能够及时将阳极室1内产生的气体排出；所述外部用电器48同时与空气阴极2和阳极铜板5连接，且监控电脑49与外部用电器48连接。

本发明中的第一电磁机构32、第二电磁机构33、第一半圆形电磁机构34和第二半圆形电磁机构35、第三电磁机构38均由MCS-51型单片机控制，且其型号为89C52。

本发明操作包括如下步骤：

步骤一：制备Fe

上述中的超声波沉淀法是一种成熟的技术，其主要用于制备金属粉末或者颗粒，梯度驯化就是在浓度依次递增的混合液中进行培养，梯度驯化被广泛应用于微生物、菌群、活性污泥的研究中，进行梯度驯化能够让Fe

步骤二：启动蠕动泵13，打开第六电动阀门18和泄压阀47，将恒温储液池3内的污水注入阳极室1内，直到其体积占据阳极室1内空间的80％；恒温储液池3和阳极室1内的混合污水初始COD在1050mg/L-1350mg/L范围内；然后向恒温储液池3内补充垃圾沥液；然后将驯化后的Fe

步骤三：启动蠕动泵13、打开第六电动阀门18和上脉动回水电磁阀31，打开第二电磁机构33，实现阳极室1内的Fe

在上述操作的同时，第一半圆形电磁机构34和第二半圆形电磁机构35通电，且开启第一循环泵21和第二循环泵28，同时打开第一电动阀门20和第二电动阀门27，将恒温储液池3中的污水抽入脉动液流母管9和第一通液口11内；污水通过第一通液口11进入阳极室1，且污水还通过脉动液流母管9以脉动形式从脉动喷嘴8内喷出；上述操作使得阳极室1内的Fe

在污水处理过程中，由于Fe

步骤四：在污水处理过程中，利用监控电脑49每隔十分钟收集记录依次电压数据，当电压呈现下降趋势且小于250mv时，打开排污接口46将恒温储液池3内处理好的污水排出，并且通过污水进接口45向恒温储液池3内补充新的污水；当阳极室1内污水中的COD小于100mg/L、氨氮含量小于25mg/L和磷元素含量小于3mg/L时，阳极室1内的污水自下而上循环流动五分钟，打开第一电磁机构32，将Fe

阳极室1内接种的Fe

在步骤三过程中，污水从脉动喷嘴8内喷出的流速呈线性变化，流速从0cm/s到10cm/s，再从10cm/s到0cm/s，此周期时间为5s。