催化-微生物燃料電池耦合處理有機(jī)廢水實(shí)現(xiàn)低能耗的方法，該方法利用光電化學(xué)氧化有機(jī)物活性高但選擇性不高的特點(diǎn)，利用較低的偏壓即將有機(jī)污染物進(jìn)行氧化，由此提高污水的可生化性，同時(shí)降低水質(zhì)毒性，或?qū)⒋蠓肿游镔|(zhì)轉(zhuǎn)化為生物更易利用的小分子物質(zhì)，進(jìn)而提高M(jìn)FC的產(chǎn)電效率和運(yùn)行穩(wěn)定性；同時(shí)將MFC降解污水中有機(jī)物所產(chǎn)生的電能直接用于光電催化反應(yīng)單元，實(shí)現(xiàn)了電能原位利用，進(jìn)一步提高了 MFC的實(shí)際應(yīng)用潛力。
[0024]通過本發(fā)明的方法，使得MFC技術(shù)與光電催化氧化技術(shù)水路上和電路上同時(shí)進(jìn)行耦合與匹配，借此可有效實(shí)現(xiàn)兩種技術(shù)對(duì)污水處理的作用，不僅可開拓應(yīng)用范圍，而且可提高M(jìn)FC的產(chǎn)電效率和凈化能力，同時(shí)使MFC所產(chǎn)電能得到充分利用。
[0025]為了驗(yàn)證本發(fā)明的效果，采用含苯酚廢水作為有機(jī)廢水，采用兩腔體雙室型MFC反應(yīng)器(見圖1)，陽極室與陽極室均填充滿柱狀活性炭顆粒，陰極室和陽極室用陽離子交換膜隔開，空腔體體積為115mL。陽極液，即陽極產(chǎn)電底物溶液由有機(jī)碳源和無機(jī)鹽組成，具體為:50mM磷酸鹽緩沖體系(磷酸二氫鉀KH2PO4.H2O 4.4g/L，磷酸氫二鉀K2HP043.4g/L)、氯化銨 NH4Cl 0.31g/L、MgCl2.6H20 0.lg/L、CaCl2.2H20 0.lg/L 及少量維生素和微量元素，有機(jī)碳源為:無水乙酸鈉NaAc 1.64g/L(苯酚或苯酚的降解產(chǎn)物)。陰極基質(zhì)組成為 50mM 磷酸鹽緩沖體系、碳酸氫鈉 NaHCO3L 92g/L、NH4Cl 0.31g/L、MgCl2.6H20 0.lg/L,CaCl2.2Η20 0.lg/L。為保證陰極液中有充足的溶解氧，用微型曝氣栗對(duì)陰極循環(huán)瓶中的溶液進(jìn)行連續(xù)曝氣。
[0026]光電催化氧化裝置:如圖2所示，光電催化氧化反應(yīng)在一自制的長方體形石英玻璃反應(yīng)器中進(jìn)行，整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)由二氧化鈦納米管電極(工作電極)、鈦板(對(duì)電極)、紫外光源(可見光光源)、磁力攪拌器、電化學(xué)工作站等組成。光電催化氧化裝置與MFC耦合，反應(yīng)時(shí)將MFC兩端的外電阻斷開，并將MFC的陰、陽極分別與光電催化裝置中的工作電極與對(duì)電極連接，反應(yīng)過程中的電壓及電流變化情況分別由電壓采集系統(tǒng)和電流表測(cè)得。
[0027]實(shí)施例
[0028]I單級(jí)MFC和兩級(jí)MFC在水路上串聯(lián)時(shí)有機(jī)物去除情況比較
[0029]試驗(yàn)對(duì)比研究了相同的水質(zhì)水量下單級(jí)MFC和兩級(jí)MFC水路上串聯(lián)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)電性能和有機(jī)物去除效果。陽極室進(jìn)水為經(jīng)光電催化氧化預(yù)處理4h的苯酚初始濃度為400mg/L的降解產(chǎn)物，體積為200mL。由結(jié)果可以看出，單級(jí)MFC處理模擬含酚廢水降解產(chǎn)物時(shí)，在更新燃料后電壓快速升高，大約3h后升至最大值，然后開始緩慢下降，最高電壓升幅為97mV。在水路上串聯(lián)兩級(jí)MFC的情況下，前后兩級(jí)MFC的電壓變化情況相差較大，1#MFC及2#MFC的最高電壓升幅分別為135mV和lOlmV，差值為34mV，1#MFC的相對(duì)高壓持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)長于2#MFC。在水路串聯(lián)的情況下，陽極液中的碳源主要被前端的MFC吸收和利用，陽極液流經(jīng)2#MFC時(shí)所剩的碳源已經(jīng)不多，故前后兩套MFC的輸出電壓相差較大。
[0030]單級(jí)MFC處理廢水時(shí)，在更新燃料后，苯酚濃度在進(jìn)水后3h內(nèi)降低至4mg/L左右，4h后出水中已檢測(cè)不出苯酚，相應(yīng)的苯酚去除率可達(dá)99%以上；C0D濃度可在4h內(nèi)降低至40mg/L左右，4h之后COD濃度始終介于26?30mg/L之間并保持穩(wěn)定，相應(yīng)的COD去除率可達(dá)96 %?97 %。在兩級(jí)MFC串聯(lián)的情況下，更新燃料后，苯酚濃度在Ih后即降低至4mg/L，2h后出水中已檢測(cè)不出苯酚；C0D濃度在Ih后迅速降低至40mg/L左右，2h后繼續(xù)降低至25?30mg/L之間并保持穩(wěn)定。由此可知，水路串聯(lián)時(shí)可顯著提高污水處理效率，為達(dá)到相同的出水水質(zhì)，單個(gè)MFC和兩套MFC串聯(lián)處理時(shí)需要的時(shí)間分別為4h和2h。
[0031]2兩級(jí)串聯(lián)MFC-光電催化氧化在電路與水路上同時(shí)耦合
[0032]光電催化氧化-MFCs耦合系統(tǒng)在電路和水路上同時(shí)耦合。耦合系統(tǒng)如圖3所示。水路上，模擬含酚廢水先由光電催化單元進(jìn)行預(yù)處理4h，作為MFC陽極室產(chǎn)電底物，兩級(jí)MFC串聯(lián)進(jìn)行廢水處理，廢水在循環(huán)瓶及MFC內(nèi)部不斷循環(huán)3?4h，完成廢水處理流程；電路上，為防止兩套MFC電壓相差較大時(shí)出現(xiàn)反極現(xiàn)象，電催化單元由電壓較高較穩(wěn)定的一套MFC供電。
[0033]模擬含酚廢水經(jīng)光電催化預(yù)處理4h、再經(jīng)MFC處理2h以后，苯酚去除率接近100%, COD去除率高于97%，COD含量介于26?30mg/L之間并保持穩(wěn)定。
[0034]圖4為該耦合系統(tǒng)對(duì)模擬苯酚廢水的處理效果。模擬苯酚廢水中苯酚初始濃度約為400mg/L，先經(jīng)光電催化氧化預(yù)處理4h，后用50mM磷酸鹽緩沖液調(diào)節(jié)pH值后作為MFC產(chǎn)電底物，在兩級(jí)MFC陽極室內(nèi)循環(huán)2h后排放，以此為一個(gè)完整的運(yùn)行周期，共連續(xù)運(yùn)行了兩個(gè)周期。從圖中可以看出，在連續(xù)運(yùn)行的兩個(gè)周期內(nèi)，苯酚初始濃度為410mg/L的模擬含酚廢水經(jīng)光電催化預(yù)處理4h、再經(jīng)MFC處理2h以后，苯酚去除率接近100%，COD去除率為97%?98%，出水中已檢測(cè)不出苯酚，COD含量介于26?30mg/L之間并保持穩(wěn)定。以上結(jié)果充分說明，本發(fā)明所建立的耦合系統(tǒng)用于聯(lián)合處理模擬含酚廢水效果良好，同步實(shí)現(xiàn)了污水凈化和產(chǎn)電，提高了含酚廢水的綜合利用率。
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【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于處理難降解有機(jī)廢水的裝置，包括光電催化氧化單元和微生物燃料電池(MFC)耦合系統(tǒng)，其中所述光電催化氧化單元與MFC同時(shí)在電路和水路上分別連接和配合，并且其中所述微生物燃料電池包括一級(jí)MFC和二級(jí)MFC在水路上串聯(lián)，所述一級(jí)MFC與光電催化氧化單元通過水路連接，并且水體先經(jīng)光電催化氧化，出水進(jìn)入一級(jí)MFC ;在電路上，所述兩級(jí)MFC各自獨(dú)立，分別給光電催化氧化裝置提供偏壓。2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述MFC具有雙室型結(jié)構(gòu)，其包括通過陽離子交換膜分隔開的陰極室和陽極室，所述陽極室和陰極室充填有活性炭顆粒，并且所述陰極室和陽極室分別設(shè)置有循環(huán)管路并在外部設(shè)置循環(huán)容器，所述循環(huán)管路兩端分別連接電極腔體和循環(huán)容器。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的裝置，其中所述裝置具有如圖1所示的結(jié)構(gòu)。4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)的裝置用于處理難降解有機(jī)廢水的用途。5.根據(jù)權(quán)利要求4的用途，其中所述難降解有機(jī)廢水為含苯酚廢水。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種用于處理難降解有機(jī)廢水的裝置，包括光電催化氧化單元和微生物燃料電池(MFC)耦合系統(tǒng)。其中所述光電催化氧化單元與MFC同時(shí)在電路和水路上分別連接和配合，所述MFC包括一級(jí)MFC和二級(jí)MFC。水體先經(jīng)光電催化氧化，出水進(jìn)入水路串聯(lián)的兩級(jí)MFC；在電路上，所述兩級(jí)MFC各自獨(dú)立，分別給光電催化氧化裝置提供偏壓。本發(fā)明還提供了利用所述光電催化氧化單元和微生物燃料電池(MFC)耦合系統(tǒng)處理廢水的方法以及所述裝置在處理有機(jī)廢水的用途。
【IPC分類】C02F9/14, C02F101/34
【公開號(hào)】CN105060619
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510436047
【發(fā)明人】梁鵬, 王穎, 趙旭, 于妍, 邱縣金, 張曼曼
【申請(qǐng)人】清華大學(xué)
【公開日】2015年11月18日
【申請(qǐng)日】2015年7月22日