专利名称：一种利用微生物燃料电池处理垃圾渗滤液的方法
技术领域：
本发明属于污水处理技术，特别涉及一种利用微生物燃料电池处理垃圾渗滤液的方法。
背景技术：
城市生活垃圾填埋作为固体废弃物处理方式之一，现已被国内外广泛采用，在垃 圾填埋的过程中以及填埋场封场后都会伴随着垃圾渗滤液的产生。垃圾渗滤液是一种污染 很强的高浓度有机废水。经研究发现，垃圾渗滤液的化学需氧量(COD)和生化需氧量(BOD) 值可达城市污水的10 100倍，且含有多种毒性物质和致癌物质，如果不经处理直接排放， 将严重污染地下水、地表水和周围环境，因此必须对其进行有效的处理。国内外关于垃圾渗 滤液处理技术的研究已有多年，处理方法主要有活性炭吸附、化学沉淀、化学氧化、离子交 换、反渗透、土地处理、生物处理等。目前，国内外研究者对垃圾渗滤液的生物降解已开展了 大量研究工作，其中较多的是利用活性污泥法、生物膜或厌氧生物滤池等降解处理垃圾渗 滤液。生物法中好氧生物处理工艺效果好，但需要大规模的曝气，基建费用以及运行管理费 用高。厌氧生物处理工艺，可节约占地面积以及动力消耗，但易受环境条件以及干扰物质影 响，处理效果会随温度下降以及年限的延长而变差。现一般采用厌氧-好氧处理相结合的 工艺，处理效率高，但工艺较复杂，且没有考虑到废水中有机物的利用问题。微生物燃料电池(MFC)是利用电化学技术将微生物代谢能转化为电能的一种装 置，它可以将废水中的有机污染物转变成电能，并同时处理废水。目前研究报道的MFC利用 的有机物主要为易降解的物质，如葡萄糖、蔗糖、乙酸、乙醇等。由于对环境造成污染较严重 的是有毒有害废水，这些实际排放的废水中有机物含量丰富，如果能用MFC处理有毒有害 废水的同时也能进行发电，是MFC研究中的一大突破。国内外至今还没有有关MFC处理垃 圾渗滤液的报道。
发明内容
本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种利用微生物燃料电池处理垃圾渗滤 液的方法，该方法简单、易于实施、成本低且效率高。本发明的技术方案一种利用微生物燃料电池处理垃圾渗滤液的方法，步骤如下1)启动微生物燃料电池将葡萄糖模拟有机废水注入微生物燃料电池内，在反应 温度为(30 士 0.1) °C的条件下，外接1000 Ω电阻，利用厌氧污泥作为接种液启动微生物燃 料电池，当电池电压低于50mV时，更换阳极室的葡萄糖模拟废水，待负载电压稳定在400mV 以上，微生物燃料电池启动成功；2)微生物燃料电池成功启动后，将阳极室中的葡萄糖废水换成葡萄糖和垃圾渗滤 液的混合溶液，记录电池的电压，采集频率为每分钟一个点，测定COD的采样频率为每两天 一次，当葡萄糖和垃圾渗滤液的混合溶液的COD的去除率达到80%以上时，更换阳极室中的葡萄糖和垃圾渗滤液的混合溶液。本发明的工作机理在处理垃圾渗滤液的过程中，附着在阳极上的细菌新陈代谢，氧化废水中有机物 夺得电子并生成质子，所夺得的电子从微生物转移到阳极电极上，电子通过外电路到达阴 极电极表面，同时生成的质子也到达阴极电极表面，质子、电子和阴极室内的铁氰化钾反 应，构成回路。在获得电能的同时，由于微生物的分解代谢而使得废水中有机物浓度降低， 并且由于微生物群落的不断驯化具有电化学性的细菌可以在电极表面被富集培养起来。本发明的优点是在处理废水的同时，还可将废水中的有机污染物转变成电能，具 有工艺简单、易于实施、成本低、效率高等优点，处理效果和产电量受温度影响较小，可在常 温下应用，最低应用条件为20°c，葡萄糖和垃圾渗滤液体积比为1 1时COD的去除率达到 85%。
图1为该微生物燃料电池的结构示意图。图2葡萄糖和垃圾渗滤液为混合燃料时微生物燃料电池的开路电压图3葡萄糖和垃圾渗滤液为混合燃料时微生物燃料电池的产电特性。图4葡萄糖和垃圾渗滤液为混合燃料时微生物燃料电池中COD的去除率。图中1.阳极室2.阴极室3.质子膜4.阳极5.阴极6-1、II.硅胶垫圈 7-1、II.垫板 8_I、II.硅胶垫片9-1、II.电极插孔
具体实施例方式实施例一种利用微生物燃料电池处理垃圾渗滤液的方法，该微生物燃料电池结构如图1 所示，由阳极室1、阴极室2、质子膜3、阳极4、阴极5、硅胶垫圈6-1、II、垫板7-1、II和硅胶 垫片8-I、II构成，阳极室1和阴极室2均为封头式圆筒结构，圆筒部分即为反应室，在阳极 室1和阴极室2的圆筒上部分别设有电极插孔9-1、11，阳极反应室和阴极反应室内分别设 置阳极4和阴极5并通过导线分别从电极插孔9-1、II密封引出，质子膜3呈正方形，其夹 在两个硅胶垫片8-1、II之间并通过两个垫板7-1、II固定，硅胶垫片8-1、II和垫板7_1、 II的中心均开有正方形方孔，方孔的边长小于质子膜3的边长，质子膜3与垫板7-I、II和 硅胶垫片8-1、II构成质子膜组件，两个硅胶垫圈6-1、II分别位于阳极室1和阴极室2与 质子膜组件之间，组装后通过紧固螺栓连接固定，所述阳极4为碳纸；阴极5为碳纸，阴极溶 液为0. lmol/L的铁氰化钾溶液；质子膜为Nafionl 17膜。该微生物燃料电池的阳极室中包括阳极溶液，阳极溶液可以富含有机物的高COD 值的有机污水，也可以是微生物容易利用的模拟废水如葡萄糖、乙酸钠等；所述微生物燃 料电池的阴极室中包括阴极溶液，在向阴极腔室中加入阴极溶液后，阴极溶液提供电子受 体，保证电池电极完成反应。阴极溶液可以为本领域常用的氧化还原电位低于阳极室溶液 的溶液。阴极需要通入氧气或空气，阴极室内通入的气体，阻力小，能耗少，而且能提供充 足的电子受体，本发明利用空气泵向阴极室鼓入空气。本实验室使用的而垃圾渗滤液COD
4为12000mg/L，实验过程使用蒸馏水按1 1的比例稀释垃圾渗滤液，稀释后的COD值为 8000mg/L。利用该微生物燃料电池处理垃圾渗滤液的方法，步骤如下1)用葡萄糖模拟废水启动微生物燃料电池，葡萄糖模拟废水的组成及含量为葡 萄糖 1000mg/L, 10. 32g/LNa2HP04 · 12Η20，3· 32g/LNaH2P04,0. 31g/LNH4Cl,0. 13g/LKCL ；阳极 室加入葡萄糖模拟废水后，先通入20分钟氮气，以保证阳极室内厌氧环境，加入厌氧污泥 作为接种液，阳极室中燃料和接种污泥比例为10 1 ；阳极溶液和厌氧污泥的总体积约占 阳极室总容积的95% ；阴极溶液为0. lmol/L的铁氰化钾溶液，所加入的阴极溶液占阴极室 总容量的95% ；反应器放在恒温槽内，温度为(30士0. D0C ；当电压降低至50mV时，即为一 个周期，COD的测定采用GB11914-89水质-化学需氧量测定。2)电池组启动一个周期后，电压输出稳定，阳极室溶液更换为葡萄糖和垃圾渗滤 液的混合溶液，葡萄糖和垃圾渗滤液的体积比为1 1，葡萄糖的溶液组成及含量如步骤1 所示。本实施例中微生物燃料电池(MFC)利用葡萄糖和垃圾渗滤液作为混合燃料产电 是可行的，葡萄糖和垃圾渗滤液的比例为1 1时MFC的开路电压如图2所示，由图2可以 看出开路电压最高为771mV。开路电压稳定后，外接1000 Ω的电阻，在1000Ω的电阻下MFC 的产电性能如图3所示，由图3可以看出MFC的最大输出电压为411mV，最大输出功率密度 为187mW/m2。葡萄糖和垃圾渗滤液为混合燃料时COD去除率如图4所示，由图4可以看出 经过13天COD的去除率达到85%。本发明的有益效果是1)垃圾渗滤液和葡萄糖在混合浓度下COD的去除率达到 85%。2)降解垃圾渗滤液的同时稳定的向外输出电能。垃圾渗滤液和葡萄糖为混合燃料时 MFC的最大输出电压为411mV，最大输出功率为187mW/m2。本发明可以在葡萄糖和垃圾渗滤 液为共基质的情况下，驯化微生物使其能在降解垃圾渗滤液的同时向外输出电能，处理垃 圾渗滤液的同时进行资源回收。本发明的微生物燃料电池运行稳定，阳极微生物经过不断 的驯化后，具有电化学活性微生物不断的在阳极富集起来，微生物降解垃圾渗滤液的同时 稳定的向外输出电能。本发明对垃圾渗滤液有较好的去除效果的同时有稳定的电能输出， 是一种高效的、无污染的处理垃圾渗滤液的新方法。
权利要求
一种利用微生物燃料电池处理垃圾渗滤液的方法，其特征在于步骤如下1)启动微生物燃料电池将葡萄糖模拟有机废水注入微生物燃料电池内，在反应温度为(30±0.1)℃的条件下，外接1000Ω电阻，利用厌氧污泥作为接种液启动微生物燃料电池，当电池电压低于50mV时，更换阳极室的葡萄糖模拟废水，待负载电压稳定在400mV以上，微生物燃料电池启动成功；2)微生物燃料电池成功启动后，将阳极室中的葡萄糖废水换成葡萄糖和垃圾渗滤液的混合溶液，记录电池的电压，采集频率为每分钟一个点，测定COD的采样频率为每两天一次，当葡萄糖和垃圾渗滤液的混合溶液的COD的去除率达到80％以上时，更换阳极室中的葡萄糖和垃圾渗滤液的混合溶液。
全文摘要
一种利用微生物燃料电池处理垃圾渗滤液的方法，步骤如下1)启动微生物燃料电池将葡萄糖模拟有机废水注入微生物燃料电池内，利用厌氧污泥作为接种液启动微生物燃料电池，当电池电压低于50mV时，即为一个周期；2)微生物燃料电池成功启动后，将阳极室中的葡萄糖废水换成葡萄糖和垃圾渗滤液的混合溶液，记录电池的电压，采集频率为每分钟一个点，测定COD的采样频率为每两天一次，当COD的去除率达到80％以上时，更换葡萄糖和垃圾渗滤液的混合溶液。本发明的优点是在处理废水的同时，还可将废水中的有机污染物转变成电能，具有工艺简单、易于实施、成本低、效率高等优点，处理效果和产电量受温度影响较小，COD的去除率高。
文档编号C02F3/34GK101955264SQ201010273599
公开日2011年1月26日 申请日期2010年9月7日 优先权日2010年9月7日
发明者张嘉琪, 杨建 , 武晨, 池强龙, 王晓丽, 田思思, 郑嗣华 申请人:天津理工大学