專(zhuān)利名稱(chēng)：一種利用微生物燃料電池處理垃圾滲濾液的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于污水處理技術(shù)，特別涉及一種利用微生物燃料電池處理垃圾滲濾液的方法。
背景技術(shù)：
城市生活垃圾填埋作為固體廢棄物處理方式之一，現(xiàn)已被國(guó)內(nèi)外廣泛采用，在垃 圾填埋的過(guò)程中以及填埋場(chǎng)封場(chǎng)后都會(huì)伴隨著垃圾滲濾液的產(chǎn)生。垃圾滲濾液是一種污染 很強(qiáng)的高濃度有機(jī)廢水。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，垃圾滲濾液的化學(xué)需氧量(COD)和生化需氧量(BOD) 值可達(dá)城市污水的10 100倍，且含有多種毒性物質(zhì)和致癌物質(zhì)，如果不經(jīng)處理直接排放， 將嚴(yán)重污染地下水、地表水和周?chē)h(huán)境，因此必須對(duì)其進(jìn)行有效的處理。國(guó)內(nèi)外關(guān)于垃圾滲 濾液處理技術(shù)的研究已有多年，處理方法主要有活性炭吸附、化學(xué)沉淀、化學(xué)氧化、離子交 換、反滲透、土地處理、生物處理等。目前，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)垃圾滲濾液的生物降解已開(kāi)展了 大量研究工作，其中較多的是利用活性污泥法、生物膜或厭氧生物濾池等降解處理垃圾滲 濾液。生物法中好氧生物處理工藝效果好，但需要大規(guī)模的曝氣，基建費(fèi)用以及運(yùn)行管理費(fèi) 用高。厭氧生物處理工藝，可節(jié)約占地面積以及動(dòng)力消耗，但易受環(huán)境條件以及干擾物質(zhì)影 響，處理效果會(huì)隨溫度下降以及年限的延長(zhǎng)而變差?，F(xiàn)一般采用厭氧-好氧處理相結(jié)合的 工藝，處理效率高，但工藝較復(fù)雜，且沒(méi)有考慮到廢水中有機(jī)物的利用問(wèn)題。微生物燃料電池(MFC)是利用電化學(xué)技術(shù)將微生物代謝能轉(zhuǎn)化為電能的一種裝 置，它可以將廢水中的有機(jī)污染物轉(zhuǎn)變成電能，并同時(shí)處理廢水。目前研究報(bào)道的MFC利用 的有機(jī)物主要為易降解的物質(zhì)，如葡萄糖、蔗糖、乙酸、乙醇等。由于對(duì)環(huán)境造成污染較嚴(yán)重 的是有毒有害廢水，這些實(shí)際排放的廢水中有機(jī)物含量豐富，如果能用MFC處理有毒有害 廢水的同時(shí)也能進(jìn)行發(fā)電，是MFC研究中的一大突破。國(guó)內(nèi)外至今還沒(méi)有有關(guān)MFC處理垃 圾滲濾液的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)上述存在問(wèn)題，提供一種利用微生物燃料電池處理垃圾滲濾 液的方法，該方法簡(jiǎn)單、易于實(shí)施、成本低且效率高。本發(fā)明的技術(shù)方案一種利用微生物燃料電池處理垃圾滲濾液的方法，步驟如下1)啟動(dòng)微生物燃料電池將葡萄糖模擬有機(jī)廢水注入微生物燃料電池內(nèi)，在反應(yīng) 溫度為(30 士 0.1) °C的條件下，外接1000 Ω電阻，利用厭氧污泥作為接種液?jiǎn)?dòng)微生物燃 料電池，當(dāng)電池電壓低于50mV時(shí)，更換陽(yáng)極室的葡萄糖模擬廢水，待負(fù)載電壓穩(wěn)定在400mV 以上，微生物燃料電池啟動(dòng)成功；2)微生物燃料電池成功啟動(dòng)后，將陽(yáng)極室中的葡萄糖廢水換成葡萄糖和垃圾滲濾 液的混合溶液，記錄電池的電壓，采集頻率為每分鐘一個(gè)點(diǎn)，測(cè)定COD的采樣頻率為每?jī)商?一次，當(dāng)葡萄糖和垃圾滲濾液的混合溶液的COD的去除率達(dá)到80%以上時(shí)，更換陽(yáng)極室中的葡萄糖和垃圾滲濾液的混合溶液。本發(fā)明的工作機(jī)理在處理垃圾滲濾液的過(guò)程中，附著在陽(yáng)極上的細(xì)菌新陳代謝，氧化廢水中有機(jī)物 奪得電子并生成質(zhì)子，所奪得的電子從微生物轉(zhuǎn)移到陽(yáng)極電極上，電子通過(guò)外電路到達(dá)陰 極電極表面，同時(shí)生成的質(zhì)子也到達(dá)陰極電極表面，質(zhì)子、電子和陰極室內(nèi)的鐵氰化鉀反 應(yīng)，構(gòu)成回路。在獲得電能的同時(shí)，由于微生物的分解代謝而使得廢水中有機(jī)物濃度降低， 并且由于微生物群落的不斷馴化具有電化學(xué)性的細(xì)菌可以在電極表面被富集培養(yǎng)起來(lái)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是在處理廢水的同時(shí)，還可將廢水中的有機(jī)污染物轉(zhuǎn)變成電能，具 有工藝簡(jiǎn)單、易于實(shí)施、成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn)，處理效果和產(chǎn)電量受溫度影響較小，可在常 溫下應(yīng)用，最低應(yīng)用條件為20°c，葡萄糖和垃圾滲濾液體積比為1 1時(shí)COD的去除率達(dá)到 85%。


圖1為該微生物燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2葡萄糖和垃圾滲濾液為混合燃料時(shí)微生物燃料電池的開(kāi)路電壓圖3葡萄糖和垃圾滲濾液為混合燃料時(shí)微生物燃料電池的產(chǎn)電特性。圖4葡萄糖和垃圾滲濾液為混合燃料時(shí)微生物燃料電池中COD的去除率。圖中1.陽(yáng)極室2.陰極室3.質(zhì)子膜4.陽(yáng)極5.陰極6-1、II.硅膠墊圈 7-1、II.墊板 8_I、II.硅膠墊片9-1、II.電極插孔
具體實(shí)施例方式實(shí)施例一種利用微生物燃料電池處理垃圾滲濾液的方法，該微生物燃料電池結(jié)構(gòu)如圖1 所示，由陽(yáng)極室1、陰極室2、質(zhì)子膜3、陽(yáng)極4、陰極5、硅膠墊圈6-1、II、墊板7-1、II和硅膠 墊片8-I、II構(gòu)成，陽(yáng)極室1和陰極室2均為封頭式圓筒結(jié)構(gòu)，圓筒部分即為反應(yīng)室，在陽(yáng)極 室1和陰極室2的圓筒上部分別設(shè)有電極插孔9-1、11，陽(yáng)極反應(yīng)室和陰極反應(yīng)室內(nèi)分別設(shè) 置陽(yáng)極4和陰極5并通過(guò)導(dǎo)線分別從電極插孔9-1、II密封引出，質(zhì)子膜3呈正方形，其夾 在兩個(gè)硅膠墊片8-1、II之間并通過(guò)兩個(gè)墊板7-1、II固定，硅膠墊片8-1、II和墊板7_1、 II的中心均開(kāi)有正方形方孔，方孔的邊長(zhǎng)小于質(zhì)子膜3的邊長(zhǎng)，質(zhì)子膜3與墊板7-I、II和 硅膠墊片8-1、II構(gòu)成質(zhì)子膜組件，兩個(gè)硅膠墊圈6-1、II分別位于陽(yáng)極室1和陰極室2與 質(zhì)子膜組件之間，組裝后通過(guò)緊固螺栓連接固定，所述陽(yáng)極4為碳紙；陰極5為碳紙，陰極溶 液為0. lmol/L的鐵氰化鉀溶液；質(zhì)子膜為Nafionl 17膜。該微生物燃料電池的陽(yáng)極室中包括陽(yáng)極溶液，陽(yáng)極溶液可以富含有機(jī)物的高COD 值的有機(jī)污水，也可以是微生物容易利用的模擬廢水如葡萄糖、乙酸鈉等；所述微生物燃 料電池的陰極室中包括陰極溶液，在向陰極腔室中加入陰極溶液后，陰極溶液提供電子受 體，保證電池電極完成反應(yīng)。陰極溶液可以為本領(lǐng)域常用的氧化還原電位低于陽(yáng)極室溶液 的溶液。陰極需要通入氧氣或空氣，陰極室內(nèi)通入的氣體，阻力小，能耗少，而且能提供充 足的電子受體，本發(fā)明利用空氣泵向陰極室鼓入空氣。本實(shí)驗(yàn)室使用的而垃圾滲濾液COD
4為12000mg/L，實(shí)驗(yàn)過(guò)程使用蒸餾水按1 1的比例稀釋垃圾滲濾液，稀釋后的COD值為 8000mg/L。利用該微生物燃料電池處理垃圾滲濾液的方法，步驟如下1)用葡萄糖模擬廢水啟動(dòng)微生物燃料電池，葡萄糖模擬廢水的組成及含量為葡 萄糖 1000mg/L, 10. 32g/LNa2HP04 · 12Η20，3· 32g/LNaH2P04,0. 31g/LNH4Cl,0. 13g/LKCL ；陽(yáng)極 室加入葡萄糖模擬廢水后，先通入20分鐘氮?dú)猓员ＷC陽(yáng)極室內(nèi)厭氧環(huán)境，加入?yún)捬跷勰?作為接種液，陽(yáng)極室中燃料和接種污泥比例為10 1 ；陽(yáng)極溶液和厭氧污泥的總體積約占 陽(yáng)極室總?cè)莘e的95% ；陰極溶液為0. lmol/L的鐵氰化鉀溶液，所加入的陰極溶液占陰極室 總?cè)萘康?5% ；反應(yīng)器放在恒溫槽內(nèi)，溫度為(30士0. D0C ；當(dāng)電壓降低至50mV時(shí)，即為一 個(gè)周期，COD的測(cè)定采用GB11914-89水質(zhì)-化學(xué)需氧量測(cè)定。2)電池組啟動(dòng)一個(gè)周期后，電壓輸出穩(wěn)定，陽(yáng)極室溶液更換為葡萄糖和垃圾滲濾 液的混合溶液，葡萄糖和垃圾滲濾液的體積比為1 1，葡萄糖的溶液組成及含量如步驟1 所示。本實(shí)施例中微生物燃料電池(MFC)利用葡萄糖和垃圾滲濾液作為混合燃料產(chǎn)電 是可行的，葡萄糖和垃圾滲濾液的比例為1 1時(shí)MFC的開(kāi)路電壓如圖2所示，由圖2可以 看出開(kāi)路電壓最高為771mV。開(kāi)路電壓穩(wěn)定后，外接1000 Ω的電阻，在1000Ω的電阻下MFC 的產(chǎn)電性能如圖3所示，由圖3可以看出MFC的最大輸出電壓為411mV，最大輸出功率密度 為187mW/m2。葡萄糖和垃圾滲濾液為混合燃料時(shí)COD去除率如圖4所示，由圖4可以看出 經(jīng)過(guò)13天COD的去除率達(dá)到85%。本發(fā)明的有益效果是1)垃圾滲濾液和葡萄糖在混合濃度下COD的去除率達(dá)到 85%。2)降解垃圾滲濾液的同時(shí)穩(wěn)定的向外輸出電能。垃圾滲濾液和葡萄糖為混合燃料時(shí) MFC的最大輸出電壓為411mV，最大輸出功率為187mW/m2。本發(fā)明可以在葡萄糖和垃圾滲濾 液為共基質(zhì)的情況下，馴化微生物使其能在降解垃圾滲濾液的同時(shí)向外輸出電能，處理垃 圾滲濾液的同時(shí)進(jìn)行資源回收。本發(fā)明的微生物燃料電池運(yùn)行穩(wěn)定，陽(yáng)極微生物經(jīng)過(guò)不斷 的馴化后，具有電化學(xué)活性微生物不斷的在陽(yáng)極富集起來(lái)，微生物降解垃圾滲濾液的同時(shí) 穩(wěn)定的向外輸出電能。本發(fā)明對(duì)垃圾滲濾液有較好的去除效果的同時(shí)有穩(wěn)定的電能輸出， 是一種高效的、無(wú)污染的處理垃圾滲濾液的新方法。
權(quán)利要求
一種利用微生物燃料電池處理垃圾滲濾液的方法，其特征在于步驟如下1)啟動(dòng)微生物燃料電池將葡萄糖模擬有機(jī)廢水注入微生物燃料電池內(nèi)，在反應(yīng)溫度為(30±0.1)℃的條件下，外接1000Ω電阻，利用厭氧污泥作為接種液?jiǎn)?dòng)微生物燃料電池，當(dāng)電池電壓低于50mV時(shí)，更換陽(yáng)極室的葡萄糖模擬廢水，待負(fù)載電壓穩(wěn)定在400mV以上，微生物燃料電池啟動(dòng)成功；2)微生物燃料電池成功啟動(dòng)后，將陽(yáng)極室中的葡萄糖廢水換成葡萄糖和垃圾滲濾液的混合溶液，記錄電池的電壓，采集頻率為每分鐘一個(gè)點(diǎn)，測(cè)定COD的采樣頻率為每?jī)商煲淮?，?dāng)葡萄糖和垃圾滲濾液的混合溶液的COD的去除率達(dá)到80％以上時(shí)，更換陽(yáng)極室中的葡萄糖和垃圾滲濾液的混合溶液。
全文摘要
一種利用微生物燃料電池處理垃圾滲濾液的方法，步驟如下1)啟動(dòng)微生物燃料電池將葡萄糖模擬有機(jī)廢水注入微生物燃料電池內(nèi)，利用厭氧污泥作為接種液?jiǎn)?dòng)微生物燃料電池，當(dāng)電池電壓低于50mV時(shí)，即為一個(gè)周期；2)微生物燃料電池成功啟動(dòng)后，將陽(yáng)極室中的葡萄糖廢水換成葡萄糖和垃圾滲濾液的混合溶液，記錄電池的電壓，采集頻率為每分鐘一個(gè)點(diǎn)，測(cè)定COD的采樣頻率為每?jī)商煲淮?，?dāng)COD的去除率達(dá)到80％以上時(shí)，更換葡萄糖和垃圾滲濾液的混合溶液。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是在處理廢水的同時(shí)，還可將廢水中的有機(jī)污染物轉(zhuǎn)變成電能，具有工藝簡(jiǎn)單、易于實(shí)施、成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn)，處理效果和產(chǎn)電量受溫度影響較小，COD的去除率高。
文檔編號(hào)C02F3/34GK101955264SQ201010273599
公開(kāi)日2011年1月26日 申請(qǐng)日期2010年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月7日
發(fā)明者張嘉琪, 楊建 , 武晨, 池強(qiáng)龍, 王曉麗, 田思思, 鄭嗣華 申請(qǐng)人:天津理工大學(xué)