基于排陣型濕地微生物燃料電池供電的電芬頓污水處理系統及處理方法與流程

本發明屬于水污染控制與水處理技術領域，具體涉及一種基于排陣型濕地微生物燃料電池高效供電的電芬頓水處理系統及方法。

背景技術：

染料廢水具有成分復雜、色度深、含鹽量高、難生化降解的特點，對公共衛生安全造成威脅，其環境安全效應越來越受到關注，對其處理工藝的研究也成為急需解決的問題。生物電芬頓法通過外加電能提供給電芬頓系統原位生成H₂O₂和Fe²⁺對難降解的染料分子進行氧化，提高廢水可生化性。

有研究表明納米鐵碳微電解技術可以實現對大分子有機物的斷鏈、發色與助色基團的脫色還原，可以有效提高廢水的可生化性，但其對難降解有機物處理不徹底。同時相比傳統的鐵碳微電解工藝相比，納米鐵碳微電解技術可以有效地解決鐵碳微電解過程中系統容易板結，處理效率下降的問題。

芬頓技術對難降解污染物的處理效果較好，但需要消耗大量Fe²⁺和H₂O₂成本較高。生物電芬頓法作為一種高效的水處理技術成為當今水處理技術領域的研究熱點。與現有的其它酸性染料廢水處理工藝相比，生物電芬頓法可用于處理COD和鹽含量較高的毒性廢水。有研究表明，運用生物電芬頓方法處理酸性染料廢水，其優勢主要體現在以下方面：環境友好、設備簡易、自動化程度高。電芬頓系統以電化學反應產生的Fe²⁺和H₂O₂作為芬頓試劑的持續來源(2)電解過程中產生的具有強氧化性的·OH有助于打破酸性染料大分子的環狀結構，提高酸性染料廢水的可生化性。(3)反應條件容易控制，一般在常溫條件下即可完成，可以單獨處理也可以耦合其它處理工藝可操作性強。但是生物電芬頓系統需要消耗大量電能，這限制了生物電化學系統的實際應用。

人工濕地對于廢水的處理能力已經得到確定，將人工濕地與微生物燃料電池耦合，充分利用人工濕地和微生物燃料電池各自的特點，進一步提高濕地的污水處理能力，不僅可以用于凈化污水，同時可以收獲電能供給其它工藝單元用電。但是目前人工濕地-微生物燃料電池存在內阻較大，輸出電壓和功率較低的缺陷，如何進一步提高電池的輸出電壓，提高其實用化性能還需要進一步探索。

目前還未有將以上技術有機結合起來的報道。

技術實現要素：

發明目的：為了克服現有技術存在的缺陷及不足，針對現有處理酸性染料廢水存在的問題，本發明提供了一種基于排陣型濕地微生物燃料電池供電的電芬頓污水處理系統及處理方法，充分利用鐵碳微電解-電芬頓系統提高廢水的可生化性能，從而提高人工濕地微生物燃料電池的產電性能，并通過將人工濕地微生物燃料電池進行串并聯提高輸出電壓供給電芬頓系統，并進一步進化水質，最終提高酸性染料的降解效果。

技術方案：

本發明所述的基于排陣型濕地微生物燃料電池供電的電芬頓污水處理系統，包括：

用于對污水進行預處理的納米鐵碳微電解反應區；

用于對納米鐵碳微電解反應區出水進行處理的電芬頓系統反應區；

用于電芬頓系統反應區出水進行處理并對其進行供電的排陣型濕地微生物燃料電池；

所述的納米鐵碳微電解反應區、電芬頓反應區、排陣型濕地微生物燃料電池依次相連；其中，所述的排陣型濕地微生物燃料電池為通過將多個濕地微生物燃料電池相連形成的濕地微生物燃料電池組；濕地微生物燃料電池組的陰極、陽極分別通過導線與電芬頓系統反應區的對應的陽極、陰極連接。

上述多個濕地微生物燃料電池相連包括水路的連接以及電路的連接。

所述的濕地微生物燃料電池組中，通過將濕地微生物燃料電池排陣成M排N列，其中M≥2，N≥2，同一排的濕地微生物燃料電池通過導線并聯形成濕地微生物燃料電池子組，所有的濕地微生物燃料電池子組通過導線串聯形成所述的濕地微生物燃料電池組。進一步的，2≤M≤6，2≤N≤6。

優選的，通過隔排串聯的方式用導線將所有的濕地微生物燃料電池子組連接形成所述的濕地微生物燃料電池組。

所述電芬頓系統反應區的出水通過多條進水通路流入排陣型濕地微生物燃料電池，每條進水通路流經的濕地微生物燃料電池個數不超過12個。

所述納米鐵碳微電解反應區與電芬頓反應區之間設有集水池，所述納米鐵碳微電解反應區的底部帶有進水口，頂部帶有向所述集水池內跌水的出水口，所述電芬頓反應區的底部帶有與所述集水池連通的水流進口。

所述的納米鐵碳微電解反應區包括反應池體，所述反應池體內通過布水板分割成上下布置的填料區和進水區，所述的進水區帶有進水口，填料區填充有納米鐵碳微電解填料，所述填料區的頂部設有溢流堰。

本發明還提供了一種污水處理方法，包括：

(1)將污水通入納米鐵碳微電解反應區進行預處理；

(2)預處理后的出水通入電芬頓系統反應區進行處理；

(3)步驟(2)處理后的出水通入濕地微生物燃料電池進行降解，濕地微生物燃料電池產生的電能供給電芬頓系統反應區。

污水處理方法中，濕地微生物燃料電池為多個，排陣成M排N列，其中M≥2，N≥2，同一排的濕地微生物燃料電池通過導線并聯形成濕地微生物燃料電池子組，所有的濕地微生物燃料電池子組通過導線串聯形成濕地微生物燃料電池組。

污水處理方法中，所述電芬頓系統反應區的出水通過多點進水方式進入排陣型濕地微生物燃料電池，每條水路流經的濕地微生物燃料電池個數不超過12個。

污水處理方法中，納米鐵碳微電解反應區的出水經跌落后進入電芬頓系統反應區，采用跌水曝氣的方式為水體充氧。

本發明針對的污水為酸性廢水，具體可以為含酸性染料的廢水，如弱酸性艷藍、RAW、酸性蒽醌藍、酸性紅B等，pH在4-6之間。

與現有技術相比，本發明的有益效果為：

本發明將納米鐵碳微電解、電芬頓、濕地微生物燃料電池多種技術進行優化組合，突出整體效應。通過鐵碳微電解-電芬頓系統組合工藝對弱酸性染料廢水中有毒有害的污染物進行預處理，提高廢水的可生化性強化排陣型濕地微生物燃料電池的產電性能，并利用排陣型濕地微生物燃料電池產生的電能為電芬頓系統供電，整個裝置無需外加能量，也無需添加化學藥劑，脫色、去除污染物效果良好，是一種節能的水處理技術。

本發明較傳統的弱酸性染料廢水處理工藝相比，納米鐵碳微電解和電芬頓系統組合工藝增強了染料廢水的預處理效果大大提高了廢水的可生化性能，且納米鐵碳微電解為電芬頓系統提供Fe²⁺來源，減少了傳統鐵碳微電解中填料板結問題。出水通過跌水曝氣提供溶解氧，供給電芬頓系統，整個過程無需外界提供物質和能量。利用排陣型濕地微生物燃料電池起深度去除作用，系統整體的去除效果更優。

本發明將人工濕地微生物燃料電池進行串并聯排陣，通過將同排電池并聯有效防止了電池組的短路，通過將若干排電池串聯大大提高了系統的輸出電壓。通過將電池的進出水相連接可以極大提高污染物的降解效率，獲得深層凈化的效果。

本發明中，排陣型濕地微生物燃料電池不僅對污染物的去除效果更好，而且可以產生電能。

本發明系統操作簡單，人工費用低，可以實現自動化控制，適合處理含弱酸性染料的廢水。

附圖說明

圖1為本發明污水處理工藝流程圖；

圖2為基于排陣型濕地微生物燃料電池供電的電芬頓水處理系統的結構示意圖；

圖3為圖2中排陣型濕地微生物燃料電池的進水流向示意圖；

圖4為圖2中排陣型濕地微生物燃料電池電路連接示意圖；

1-納米鐵碳微電解反應區，101-反應池體，102-布水板，103-填料區，104-進水區，105-進水口，106-溢流堰，107-阻擋板，2-電芬頓系統反應區，201-水流進口，202-三相分離器，203-水流出口，204-陽極，205-陰極，3-排陣型濕地微生物燃料電池，301-濕地微生物燃料電池，302-防滲層，303-陽極填料層，304-第一黃沙層，305-陰極填料層，306-濕地植物層，308-第二黃沙層，4-集水池，5-調節池。

具體實施方式

下面結合具體實施例，進一步闡明本發明，應理解這些實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍，在閱讀了本發明之后，本領域技術人員對本發明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權利要求所限定的范圍。

如圖1，本發明的污水處理方法包括：

(1)將污水通入納米鐵碳微電解反應區進行預處理；

(2)預處理后的出水通入電芬頓系統反應區進行處理；

(3)步驟(2)處理后的出水通入濕地微生物燃料電池進行降解，濕地微生物燃料電池產生的電能供給電芬頓系統反應區。

步驟(1)中，本發明針對的污水為弱酸性廢水，具體可以為弱酸性染料廢水。弱酸性染料廢水通入納米鐵碳微電解反應區后，染料大分子在該區進行初步降解，實現大分子有機物的斷鏈以及發色和祝色基團的還原從而提高廢水的可生化性，并通過活性炭的吸附去除廢水的COD、色度，得到的預處理水。

步驟(2)中，納米鐵碳微電解反應區的出水經跌落后進入電芬頓系統反應區(或稱為電芬頓反應區)，出水在下落過程中與空氣充分接觸混入大量氧氣，從而提高電芬頓系統反應區的水處理效果。經納米鐵碳微電解反應區預處理后的弱酸性染料廢水中，難降解有機物已經部分斷鏈、開環得到小分子的有機物，出水中含有反應生成的Fe²⁺，電芬頓系統反應區陽極生成Fe²⁺，O₂在陰極得電子生成H₂O₂，電芬頓系統反應區原位產生Fe²⁺和H₂O₂對難降解的染料分子進一步進行高級氧化，同時系統具有電極吸附、電混凝作用進一步降解有機物，生成小分子的化合物，羧酸類物質生成CO₂溢出。此時有毒有害的大分子有機物基本變為易被微生物降解的有機物，得到二次處理水。

步驟(3)中，步驟(2)的出水中含有大量被降解的染料分子的中間產物以及小分子的有機物，廢水可生化性高。步驟(2)的出水通入濕地微生物燃料電池進行降解后排放，濕地微生物燃料電池產生的電能向電芬頓系統反應區供電。經過鐵碳微電解和電芬頓系統所形成的大量小分子化合物可以迅速被產電菌利用，這將大大提高濕地微生物燃料電池的輸出功率。另外，濕地的過濾截留作用也可以對污染物進行截留。濕地種植的高密度植物一方面利用其發達的根系對水中的污染物進行吸附，同時植物利用光合作用產生大量氧氣，使得微生物燃料電池的陰極處于富氧狀態，有利于提高其產電性能。

本發明中，濕地微生物燃料電池為多個，排陣成M排N列，其中M≥2，N≥2，同一排的濕地微生物燃料電池通過導線并聯形成濕地微生物燃料電池子組，然后通過隔排串聯的方式用導線將所有的濕地微生物燃料電池子組連接形成濕地微生物燃料電池組，產生的電能供給電芬頓系統反應區，增大電芬頓系統的電壓，形成良性循環。

上述電芬頓系統反應區的出水通過多條水路進入排陣型濕地微生物燃料電池，每條水路流經的濕地微生物燃料電池個數不超過12個，以保證濕地微生物燃料電池的產電性能。

如圖2，本發明基于排陣型濕地微生物燃料電池供電的電芬頓水處理系統包括：

用于對污水進行預處理的納米鐵碳微電解反應區1；

用于對納米鐵碳微電解反應區出水進行處理的電芬頓系統反應區2；

用于電芬頓系統反應區出水進行處理并對其進行供電的排陣型濕地微生物燃料電池3；

設于納米鐵碳微電解反應區1和電芬頓系統反應區2之間的集水池4；

設于電芬頓系統反應區2和排陣型濕地微生物燃料電池3之間的調節池5。

納米鐵碳微電解反應區1包括反應池體101，該反應池體101內通過布水板102分割成上下布置的填料區103和進水區104，布水板能夠使水流更加均勻。進水區104的側壁設有進水口105，填料區填充有納米鐵碳微電解微球，納米鐵碳微電解微球可采用現有技術中的產品，一般為鐵粉和碳粉質量比1:1并將其固定在膨潤土中反應所形成。填料區103的頂部設有溢流堰106。納米鐵碳微電解反應區1處理后的出水通過溢流堰溢流排出，跌落至集水池4內。為防止填料的流失，填料區在填料的上方還設有帶孔的阻擋板107(阻擋板設置微孔，微孔的直徑比濾料的直徑小)。

本發明中，電芬頓系統反應區2采用現有結構，如其中一種可選擇的結構但并不僅限于：電芬頓系統反應區2的下部側壁帶有水流進口201，水流進口201與集水池4相連通。電芬頓系統反應區2的頂部鄰近出水位置設有三相分離器202，方便氣、液、固的三相分離，經過分離的液體水通過電芬頓系統反應區2頂部設置的水流出口203溢出。電芬頓系統反應區2的陽極204為不銹鋼網，陰極205為碳氈，電芬頓系統電流控制在0.5-1.2mA。電芬頓系統反應區2處理后的水通過水流出口203落入調節池5內。

排陣型濕地微生物燃料電池3(或稱排陣型人工濕地微生物燃料電池)為多個濕地微生物燃料電池301相連形成的濕地微生物燃料電池組。濕地微生物燃料電池組中的單個濕地微生物燃料電池(或稱人工濕地微生物燃料電池)均采用現有結構，如其中一種可選擇的結構但并不僅限于：濕地微生物燃料電池301由下至上依次分別設有防滲層302、第一黃沙層304、陽極填料層(填充活性炭)303、第二黃沙層308，陰極填料層(填充活性炭)305、濕地植物層(種植美人蕉或者蘆葦等根系發達植物，種植密度達到25-30株/m²)306，陰陽極外接導線并進行絕緣處理。濕地微生物燃料電池利用人工濕地下層厭氧環境，并加入活性炭形成陽極材料，利用植物根系分泌的氧氣和活性炭形成陰極材料。每一個微生物燃料電池進水口位于第一黃沙層，出水口位于右側頂部陰極填料層。

濕地微生物燃料電池組中，濕地微生物燃料電池排陣成M排N列，其中M≥2，N≥2。對于電路連接，同一排的濕地微生物燃料電池通過導線并聯形成濕地微生物燃料電池子組，所有的濕地微生物燃料電池子組通過導線串聯，串聯時，通過隔排串聯的方式用導線將所有的濕地微生物燃料電池子組連接形成上述的濕地微生物燃料電池組，這樣的布置方式可以有效提高排陣型濕地微生物燃料電池的輸出電壓并防止相鄰濕地微生物燃料電池發生短路的可能性。濕地微生物燃料電池組的陰極、陽極分別通過導線與對應的電芬頓系統反應區的陽極、陰極連接。對于水路連接，電芬頓系統反應區的出水通過多條進水通路進入排陣型濕地微生物燃料電池，即通過多條水路流經排陣型濕地微生物燃料電池，每條進水管流經的濕地微生物燃料電池個數不超過12個。

以6×4排陣的濕地微生物燃料電池組為例進行具體說明，圖3顯示了具體的排陣方式及進水流向，濕地微生物燃料電池組共設置成6排，分別為A、B、C、D、E、F，每排放置4個濕地微生物燃料電池。電芬頓系統反應區的出水調節池，調節池內的水通過兩個進水點進入排陣型微生物燃料電池，其中一個處于濕地微生物燃料電池A1，進水沿S型依次流入每一個濕地微生物燃料電池后最后從濕地微生物燃料電池C4流出，另外一個處于濕地微生物燃料電池F1，進水依次流入每一個濕地微生物燃料電池后從濕地微生物燃料電池D4流出。圖4顯示了具體的電路連接方式，同一排的濕地微生物燃料電池通過導線并聯形成濕地微生物燃料電池子組，即A1、A2、A3、A4和A5并聯形成A子組，B1、B2、B3、B4和B5并聯形成B子組，……以此類推。然后再通過隔排串聯的方式用導線將所有的濕地微生物燃料電池子組連接，即A、C、E、B、D、F子組依次連接形成濕地微生物燃料電池組。

系統運行時，污水(如含弱酸性的染料廢水)通過進水口105進入納米鐵碳微電解反應區的進水區104，通過布水板污水進行入填料區，污水在填料區103完成預處理后通過溢流堰排出跌落至集水池4內，污水在納米鐵碳微電解反應區的停留時間為2-3h。集水池4內的水通過水流進口201進入電芬頓系統反應區進行處理，在該反應區停留時間為2-3h，電芬頓系統反應區處理后的水通過水流出口203流入調節池，調節池可使下一步進水更均勻。調節池內的水流入排陣型濕地微生物燃料電池，停留24h-36h，出水中含有染料中間體和大量小分子化合物在濕地填料-微生物-植物-電化學多種聯合作用下被去除，排陣型濕地微生物燃料電池所產生的電能供給電芬頓系統反應區。