本發(fā)明涉及一種耦合微生物燃料電池的芬頓流化床污水處理系統(tǒng)及其處理污水的方法，屬于污水處理領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

芬頓氧化技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用的一種廢水處理高級(jí)氧化技術(shù)。該技術(shù)所應(yīng)用的芬頓試劑具有強(qiáng)氧化能力，因?yàn)椋渲泻衒e²⁺和h2o2，h2o2被亞鐵離子催化分解生成大量具有極強(qiáng)氧化性的羥基自由基(·oh)，由于·oh具有高氧化電位和無(wú)選擇性，因此，可以降解氧化多種有機(jī)污染物。芬頓流化床技術(shù)將芬頓反應(yīng)應(yīng)用于流化床反應(yīng)器體系，具有氧化效率高、運(yùn)行費(fèi)用低、反應(yīng)產(chǎn)物無(wú)毒無(wú)害等優(yōu)勢(shì)。

然而在利用芬頓流化床處理污水的過(guò)程中，硫酸亞鐵作為芬頓反應(yīng)的催化劑，需要不斷添加來(lái)維持體系的正常運(yùn)行，而硫酸亞鐵最終會(huì)隨著芬頓反應(yīng)后液體流出，導(dǎo)致其利用率低且藥劑消耗量大。由于硫酸亞鐵的大量投加，體系反應(yīng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量含鐵污泥，不僅容易堵塞管道，而且后續(xù)需要經(jīng)過(guò)中和、曝氣氧化、絮凝沉淀處理，處理成本高，易造成二次污染。此外，芬頓流化床處理效果不穩(wěn)定，對(duì)含低濃度污染物的污水處理效果較好，但對(duì)含高濃度污染物的污水處理效果不佳，進(jìn)水水質(zhì)的穩(wěn)定性也很容易影響處理效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明通過(guò)在傳統(tǒng)芬頓流化床中引入微生物燃料電池，解決了上述問(wèn)題。

本發(fā)明提供了一種耦合微生物燃料電池的芬頓流化床污水處理系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括芬頓流化床、微生物燃料電池；所述芬頓流化床內(nèi)設(shè)有穿孔板，所述穿孔板將芬頓流化床分為下區(qū)和上區(qū)，所述下區(qū)內(nèi)設(shè)有旋流式布水器，所述旋流式布水器與進(jìn)水管連接，所述進(jìn)水管設(shè)有入口ⅰ、入口ⅱ、入口ⅲ，所述上區(qū)內(nèi)設(shè)有流化床填料，所述上區(qū)的上部設(shè)有入口ⅳ，所述上區(qū)的頂部設(shè)有溢流堰一體式出水管；所述微生物燃料電池內(nèi)設(shè)有質(zhì)子交換膜，所述質(zhì)子交換膜將微生物燃料電池分為陰極室和陽(yáng)極室，所述陰極室內(nèi)設(shè)有陰極電極，所述陽(yáng)極室內(nèi)設(shè)有附著有產(chǎn)電微生物的陽(yáng)極電極，所述陰極電極通過(guò)外電阻與陽(yáng)極電極連接，所述溢流堰一體式出水管與三通閥的入口連接，所述三通閥的出口ⅰ與陰極室的入口連接，所述陰極室的出口與進(jìn)水管的入口ⅲ連接，所述陽(yáng)極室設(shè)有污水入口，所述陽(yáng)極室的出口與進(jìn)水管的入口ⅱ連接。

本發(fā)明所述芬頓流化床的下區(qū)內(nèi)優(yōu)選設(shè)有ph測(cè)試點(diǎn)。

本發(fā)明所述微生物燃料電池陽(yáng)極室的出口優(yōu)選通過(guò)泵ⅱ與進(jìn)水管的入口ⅱ連接。

本發(fā)明所述三通閥的出口ⅰ優(yōu)選通過(guò)流量控制閥、泵ⅰ與陰極室的入口連接。

本發(fā)明所述微生物燃料電池陰極室的出口優(yōu)選通過(guò)泵ⅲ與進(jìn)水管的入口ⅲ連接。

本發(fā)明另一目的是提供一種利用上述系統(tǒng)處理污水的方法，所述方法包括如下步驟：

①將污水泵入微生物燃料電池陽(yáng)極室內(nèi)，經(jīng)陽(yáng)極室反應(yīng)后，陽(yáng)極室反應(yīng)后液體由進(jìn)水管的入口ⅱ進(jìn)入芬頓流化床的下區(qū)，與同時(shí)由進(jìn)水管的入口ⅰ進(jìn)入芬頓流化床的下區(qū)的硫酸、硫酸亞鐵混勻，混勻后與由上區(qū)的入口ⅳ進(jìn)入芬頓流化床的上區(qū)的雙氧水進(jìn)行芬頓反應(yīng)；

②一部分經(jīng)芬頓反應(yīng)后液體進(jìn)入微生物燃料電池陰極室內(nèi)再反應(yīng)，陰極室反應(yīng)后液體由進(jìn)水管的入口ⅲ進(jìn)入芬頓流化床的下區(qū)，與同時(shí)由進(jìn)水管的入口ⅱ進(jìn)入芬頓流化床的下區(qū)的陽(yáng)極室反應(yīng)后液體混勻，重復(fù)步驟①再次進(jìn)行芬頓反應(yīng)。

在與雙氧水進(jìn)行芬頓反應(yīng)前，將本發(fā)明所述污水的ph值優(yōu)選為調(diào)節(jié)至2-4。

本發(fā)明的原理為：先將污水泵入微生物燃料電池陽(yáng)極室，附著在陽(yáng)極電極上的產(chǎn)電微生物催化氧化污水中的有機(jī)污染物，降低污水中的有機(jī)污染物濃度，同時(shí)產(chǎn)生的電子轉(zhuǎn)移至陰極電極上；陽(yáng)極電極上微生物降解有機(jī)污染物的速率與有機(jī)污染物的濃度相關(guān)，有機(jī)污染物濃度高，陽(yáng)極電極上微生物活性高降解速度快，反之，有機(jī)污染物濃度低，陽(yáng)極電極上微生物活性低降解速度慢，因此，陽(yáng)極電極對(duì)污水水質(zhì)具有緩沖作用。陽(yáng)極室反應(yīng)后液體進(jìn)入進(jìn)水管，與硫酸、硫酸亞鐵在進(jìn)水管內(nèi)混勻，調(diào)節(jié)ph至2-4，通過(guò)旋流式布水器調(diào)勻水質(zhì)，進(jìn)入芬頓流化床的上區(qū)與雙氧水混勻，進(jìn)行芬頓反應(yīng)，催化降解有機(jī)污染物。反應(yīng)過(guò)程中一部分fe²⁺被氧化成fe³⁺，一部分h2o2分解產(chǎn)生o2，未反應(yīng)的硫酸、fe²⁺、h2o2及反應(yīng)副產(chǎn)物fe³⁺、o2隨芬頓反應(yīng)后液體流出。一部分芬頓反應(yīng)后液體通過(guò)三通閥的出口ⅱ進(jìn)行后續(xù)中和、曝氣氧化、絮凝沉淀處理，另一部分芬頓反應(yīng)后液體進(jìn)入微生物燃料電池陰極室，芬頓反應(yīng)后液體中的fe³⁺、h2o2和o2在陰極電極與電子及芬頓反應(yīng)后液體中的質(zhì)子結(jié)合，發(fā)生如下還原反應(yīng)：

fe³⁺+e^-→fe²⁺

h2o2+2h⁺+2e^-→2h2o

o2+4h⁺+4e^-→2h2o

還原反應(yīng)后fe³⁺被還原成fe²⁺，雙氧水及氧氣被還原成水，硫酸僅有少量消耗，得到的陰極室反應(yīng)后液體中僅含有fe²⁺、硫酸及未反應(yīng)的有機(jī)污染物，陰極室反應(yīng)后液體進(jìn)入進(jìn)水管與陽(yáng)極室反應(yīng)后液體混勻，不再需要或僅僅需要少量硫酸和硫酸亞鐵即可進(jìn)行芬頓反應(yīng)，提高了硫酸和硫酸亞鐵的利用率，減少了硫酸和硫酸亞鐵的加入量，同時(shí)，減少了含鐵污泥的產(chǎn)生量，節(jié)約了后續(xù)中和、曝氣氧化、絮凝沉淀、污泥處理等工藝成本。

本發(fā)明有益效果為：

①本發(fā)明所述系統(tǒng)將fe³⁺還原為fe²⁺、h2o2和o2還原為h2o，陰極室反應(yīng)后液體中含有芬頓反應(yīng)所需的fe²⁺和硫酸，再次參與芬頓反應(yīng)可提高硫酸和硫酸亞鐵的利用率，減少硫酸和硫酸亞鐵的加入量，從而節(jié)約處理成本；

②本發(fā)明所述系統(tǒng)將fe²⁺再次利用，減少了含鐵污泥的產(chǎn)生量，既節(jié)約后續(xù)中和、曝氣氧化、絮凝沉淀的藥劑投加，又防止管道堵塞，節(jié)省含鐵污泥處理成本；

③本發(fā)明所述系統(tǒng)耐負(fù)荷沖擊能力強(qiáng)，污水處理效果穩(wěn)定，污水先通過(guò)微生物燃料電池陽(yáng)極室處理，一方面降低芬頓流化床的有機(jī)污染物負(fù)荷，另一方面對(duì)芬頓流化床的進(jìn)水水質(zhì)具有緩沖調(diào)節(jié)作用，使芬頓流化床保持穩(wěn)定的污水處理效果。

附圖說(shuō)明

本發(fā)明附圖1幅，

圖1為實(shí)施例1所述耦合微生物燃料電池的芬頓流化床污水處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

其中，1、芬頓流化床，101、芬頓流化床的下區(qū)，102、芬頓流化床的上區(qū)，103、芬頓流化床的入口ⅳ，2、穿孔板，3、旋流式布水器，4、進(jìn)水管，401、進(jìn)水管的入口ⅰ，402、進(jìn)水管的入口ⅱ，403、進(jìn)水管的入口ⅲ，5、溢流堰一體式出水管，6、微生物燃料電池，601、陰極室，602、陽(yáng)極室，603、陰極室的入口，604、陰極室的出口，605、污水入口，606、陽(yáng)極室的出口，7、質(zhì)子交換膜，8、陰極電極，9、陽(yáng)極電極，10、外電阻，11、ph測(cè)試點(diǎn)，12、泵ⅱ，13、三通閥，1301、三通閥的出口ⅰ，1302、三通閥的出口ⅱ，14、流量控制閥，15、泵ⅰ，16、泵ⅲ。

具體實(shí)施方式

下述非限制性實(shí)施例可以使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員更全面地理解本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明。

實(shí)施例1

一種耦合微生物燃料電池的芬頓流化床污水處理系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括芬頓流化床1、微生物燃料電池6；所述芬頓流化床1內(nèi)設(shè)有穿孔板2，所述穿孔板2將芬頓流化床1分為芬頓流化床的下區(qū)101和芬頓流化床的上區(qū)102，所述芬頓流化床的下區(qū)101內(nèi)設(shè)有旋流式布水器3與ph測(cè)試點(diǎn)11，所述旋流式布水器3與進(jìn)水管4連接，所述進(jìn)水管4設(shè)有進(jìn)水管的入口ⅰ401、進(jìn)水管的入口ⅱ402、進(jìn)水管的入口ⅲ403，所述芬頓流化床的上區(qū)102內(nèi)設(shè)有流化床填料，所述芬頓流化床的上區(qū)102的上部設(shè)有芬頓流化床的入口ⅳ103，所述芬頓流化床的上區(qū)102的頂部設(shè)有溢流堰一體式出水管5；所述微生物燃料電池6內(nèi)設(shè)有質(zhì)子交換膜7，所述質(zhì)子交換膜7將微生物燃料電池6分為陰極室601和陽(yáng)極室602，所述陰極室601內(nèi)設(shè)有陰極電極8，所述陽(yáng)極室602內(nèi)設(shè)有附著有產(chǎn)電微生物geobacterspp.的陽(yáng)極電極9，所述陰極電極8通過(guò)外電阻10與陽(yáng)極電極9連接，所述溢流堰一體式出水管5與三通閥13的入口連接，所述三通閥的出口ⅰ1301通過(guò)流量控制閥14、泵ⅰ15與陰極室601的入口連接，所述陰極室601的出口通過(guò)泵ⅲ16與進(jìn)水管的入口ⅲ403連接，所述陽(yáng)極室602設(shè)有污水入口605，所述陽(yáng)極室的出口606通過(guò)泵ⅱ12與進(jìn)水管的入口ⅱ402連接。

實(shí)施例2

一種利用實(shí)施例1所述系統(tǒng)處理制藥廢水的方法，所述方法包括如下步驟：

①將制藥廢水泵入陽(yáng)極室602內(nèi)反應(yīng)0.5h，陽(yáng)極室反應(yīng)后液體以100m³/h流量由進(jìn)水管的入口ⅱ402進(jìn)入芬頓流化床的下區(qū)101，與同時(shí)由進(jìn)水管的入口ⅰ401進(jìn)入芬頓流化床的下區(qū)101的硫酸、硫酸亞鐵混勻，硫酸與硫酸亞鐵為制藥廢水重量的0.05％，調(diào)節(jié)ph值至2.5，混勻后與由芬頓流化床的入口ⅳ103進(jìn)入芬頓流化床的上區(qū)102的雙氧水進(jìn)行芬頓反應(yīng)，雙氧水為制藥廢水重量的0.045％；

②一部分芬頓反應(yīng)后液體通過(guò)三通閥的出口ⅱ1302進(jìn)行后續(xù)中和、曝氣氧化、絮凝沉淀處理，另一部分芬頓反應(yīng)后液體進(jìn)入陰極室601內(nèi)再反應(yīng)0.5h，陰極室反應(yīng)后液體以60m³/h流量由進(jìn)水管的入口ⅲ403進(jìn)入芬頓流化床的下區(qū)101，與同時(shí)由進(jìn)水管的入口ⅱ402進(jìn)入芬頓流化床的下區(qū)101的陽(yáng)極室反應(yīng)后液體混勻，重復(fù)步驟①再次進(jìn)行芬頓反應(yīng)。

上述系統(tǒng)可使制藥廢水的codcr從520mg/l降至68mg/l，去除率為86.9％，含鐵污泥的產(chǎn)生量為0.25t/d；而同樣的雙氧水加入量，使用現(xiàn)有的芬頓流化床處理該制藥廢水，硫酸與硫酸亞鐵為制藥廢水重量的0.15％，制藥廢水的codcr從520mg/l降至241mg/l，去除率僅為53.7％，含鐵污泥的產(chǎn)生量為0.6t/d；與現(xiàn)有的芬頓流化床相比，采用上述系統(tǒng)處理制藥廢水，使硫酸與硫酸亞鐵的加入量減少了66.7％，制藥廢水處理效率提高了33.2％，含鐵污泥的產(chǎn)生量降低了58.3％。