本發(fā)明屬于微生物燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種空化-微生物燃料電池反應(yīng)器及其處理廢水的方法。
背景技術(shù)：
隨著全球經(jīng)濟的快速增長，能源短缺和環(huán)境污染的壓力急劇增大，對人類社會可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成了嚴重威脅。微生物燃料電池可利用微生物為催化劑將化學能直接轉(zhuǎn)化為電能，是一種新的清潔能源生產(chǎn)技術(shù)，已成為當前能源和環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點。
微生物燃料電池(Microbial Fuel Cells，MFCs)是以微生物為催化劑，將環(huán)境中污染物轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)。這種兼具環(huán)境污染治理與廢物能源化利用的革新技術(shù)已被應(yīng)用于多種污染物如各種工業(yè)廢水和生活廢水、垃圾滲濾液、氯代有機物等的降解研究，顯示出較好的應(yīng)用前景。
廢水中含有許多污染物，蘊含大量化學能。利用MFCs技術(shù)來處理廢水，不僅可以治污，而且可以回收電能，它是廢水處理技術(shù)的重大創(chuàng)新。由于有機污染物是廢水中的主要污染物，因此人們首先在利用MFCs處理有機廢水方面開展了大量研究，并取得了重大進展。
現(xiàn)階段微生物燃料電池存在以下缺點：產(chǎn)點菌的電子傳遞效率低，需要額外添加電子中介體來強化電子傳遞，中介體大多有毒且價格昂貴；以空氣作為電子受體時，雖然廉價易得，但其氧化還原速率低，需在陰極負載重金屬催化劑；產(chǎn)電基質(zhì)為有機物，電導(dǎo)率低，電池內(nèi)阻大，產(chǎn)電效率低。
當液體溫度一定，壓力降低到該液體飽和蒸汽壓時，會產(chǎn)生汽化現(xiàn)象，同時溶解于液體中的氣體析出，形成汽泡(又稱空泡、空穴)，當汽泡隨水流運動到壓力較高的地方后，泡內(nèi)的蒸汽重新凝結(jié)，汽泡潰滅。這種液流內(nèi)的空泡產(chǎn)生、發(fā)展、潰滅，以及由此產(chǎn)生的一系列物理和化學變化過程稱為空化。空化發(fā)生時，液體的分子鍵會產(chǎn)生強烈的爆裂，空泡潰滅瞬間形成局部的高溫和高壓，并伴有強烈的沖擊波和微射流?？栈纬傻奶厥饽芰啃?yīng)，能夠?qū)瘜W及物理反應(yīng)過程起到強化作用。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種空化-微生物燃料電池反應(yīng)器及其處理污水的方法。
一種空化-微生物燃料電池反應(yīng)器，包括反應(yīng)器本體(1)、原水箱(2)、進水泵(3)、空化發(fā)生器(4)、微生物燃料電池組件(5)、進水口(6)、布水隔板(7)、出水口(8)；其特征在于：原水箱(2)通過進水泵(3)與反應(yīng)器本體(1)的進水口(6)連接，所述進水口(6)設(shè)置在反應(yīng)器本體(1)的下部，其布置為多個垂直于反應(yīng)器本體(1)的進水通道并通過多組豎直管道(9)與布水隔板(7)上的通孔(10)相對應(yīng)，其中所述的多組豎直管道(9)與布水隔板通孔數(shù)量相同且同軸設(shè)置，每個豎直管道(9)口處設(shè)置一空化發(fā)生器(4)，所述空化發(fā)生器(4)的出水口孔徑大于通孔(10)的孔徑設(shè)置；微生物燃料電池組件(5)設(shè)置于布水隔板(7)的上方，其包括多片陰極板(11)和陽極板(12)，每組陰極板(11)和陽極板(12)通過導(dǎo)線連接，陽極板上負載有微生物(13)；出水口(8)設(shè)置于反應(yīng)器本體(1)的右上方，出水口(8)上設(shè)置溢流堰(14)；所述陰極板(11)和陽極板(12)之間設(shè)置有離子交換膜(15)。
所述陽極板(11)和陰極板(12)的材質(zhì)為石墨板或活性炭；所述每組陰極板(11)與陽極板(12)的極板間距為10-12cm。
所述的陽極板(12)上沉積有蒽醌-2,6-二磺酸鈉。
所述微生物選自希瓦氏菌、紅育菌或假單胞菌。
必要時，可在池底增加超聲波發(fā)生裝置，增強空化效果。
所述布水隔板通孔(10)的孔徑設(shè)置為空化發(fā)生器(4)的出水口孔徑的1/3-2/3；所述布水隔板(7)與陰極板(11)、陽極板(12)間的垂直間距為20-30cm。
進一步地，本發(fā)明提供一種利用上述微生物燃料電池處理廢水的方法，其特征在于，所述方法如下：
待處理廢水通過進水泵由原水箱進入空化-微生物燃料電池反應(yīng)器的底部，經(jīng)底部設(shè)置的多組空化發(fā)生器作用，增加廢水中電子的傳遞，而后廢水經(jīng)上部微生物燃料電池作用，去除污水中的有機物，處理后廢水經(jīng)上方的溢流堰溢流出水。
所述待處理廢水中氨氮NH4+-N含量為50-500mg/L，炭氮比C/N為0.4：1-9：1，反應(yīng)溫度為25℃-40℃。
所述的廢水為印染廢水、啤酒廢水、養(yǎng)殖廢水。
在主反應(yīng)區(qū)內(nèi)，廢水溶解氧DO值小于等于1.2mg/L。
經(jīng)過處理后的廢水COD去除率大于94.5％，總氮的去除率大于95.3％。
本發(fā)明的有益效果如下：
(1)本發(fā)明設(shè)置了多組陰極和陽極電池板，增加了微生物燃料電池的接觸反應(yīng)面積，并且易于更換及檢修；
(2)將微生物燃料電池與水力空化相結(jié)合，綜合了兩種技術(shù)的優(yōu)勢，利用水力空化作用，增強廢水中的電子傳遞以及增強攪動，強化微生物燃料電池的處理效果，提高污染物的去除率；
(3)通過對進水方式的特殊改進，使得進水更為均勻的分布于反應(yīng)器；同時，通過進水口與進水隔板的特殊配合，使得進水分布更為合理，利于反應(yīng)器作用的最大化；
(4)隔板通孔的孔徑設(shè)置為空化發(fā)生器的出水口孔徑的1/3-2/3，布水隔板與陰極板、陽極板間的垂直間距為20-30cm，達到最優(yōu)化設(shè)計，大大提高了廢水中COD和總氮的去除率。
【附圖說明】
圖1是本發(fā)明空化-微生物燃料電池反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中：1反應(yīng)器本體；2原水箱；3進水泵；4空化發(fā)生器；5微生物燃料電池組件；6進水口；7布水隔板；8出水口；9豎直管道；10通孔；11陰極板；12陽極板；13微生物；14溢流堰；15離子交換膜。
【具體實施方式】
下面通過具體的實施例對本發(fā)明進一步說明，應(yīng)當指出，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干變型和改進，這些也視為屬于本發(fā)明的保護范圍。
實施例1：
如圖1所述，一種空化-微生物燃料電池反應(yīng)器，包括反應(yīng)器本體1、原水箱2、進水泵3、空化發(fā)生器4、微生物燃料電池組件5、進水口6、布水隔板7、出水口8；其特征在于：原水箱2通過進水泵3與反應(yīng)器本體1的進水口6連接，所述進水口6設(shè)置在反應(yīng)器本體1的下部，其布置為多個垂直于反應(yīng)器本體1的進水通道并通過多組豎直管道9與布水隔板7上的通孔10相對應(yīng)，其中所述的多組豎直管道9與布水隔板通孔數(shù)量相同且同軸設(shè)置，每個豎直管道9口處設(shè)置一空化發(fā)生器4，所述空化發(fā)生器4的出水口孔徑大于通孔10的孔徑設(shè)置；微生物燃料電池組件5設(shè)置于布水隔板7的上方，其包括多片陰極板11和陽極板12，每組陰極板11和陽極板12通過導(dǎo)線連接，陽極板上負載有微生物13；出水口8設(shè)置于反應(yīng)器本體1的右上方，出水口8上設(shè)置溢流堰14；所述陰極板11和陽極板12之間設(shè)置有離子交換膜15。所述陽極板11和陰極板12的材質(zhì)為石墨板或活性炭；所述每組陰極板11與陽極板12的極板間距為10cm；所述的陽極板12上沉積有蒽醌-2,6-二磺酸鈉，所述布水隔板通孔10的孔徑為2cm，所述空化發(fā)生器4的出水口孔徑的3cm；所述布水隔板7與陰極板11、陽極板12間的垂直間距為22cm。
實施例2：
與實施例1前述基本相同，區(qū)別在于：所述每組陰極板11與陽極板12的極板間距為11cm；所述的陽極板12上沉積有蒽醌-2,6-二磺酸鈉，所述布水隔板通孔10的孔徑為1cm，所述空化發(fā)生器4的出水口孔徑的3cm；所述布水隔板7與陰極板11、陽極板12間的垂直間距為25cm。
實施例3：
待處理廢水為印染廢水，其進水氨氮NH4+-N含量為300mg/L，炭氮比C/N為5:1，反應(yīng)溫度為28℃。待處理廢水通過進水泵由原水箱進入空化-微生物燃料電池反應(yīng)器的底部，經(jīng)底部設(shè)置的多組空化發(fā)生器作用，增加廢水中電子的傳遞，而后廢水經(jīng)上部微生物燃料電池作用，去除污水中的有機物，處理后廢水經(jīng)上方的溢流堰溢流出水。在主反應(yīng)區(qū)內(nèi)，廢水溶解氧DO值為1.0mg/L。經(jīng)過處理后的廢水COD去除率為96.3％，總氮的去除率大于97.5％。
實施例4：
待處理廢水為啤酒廢水，其進水氨氮NH4+-N含量為425mg/L，炭氮比C/N為3:1，反應(yīng)溫度為30℃。待處理廢水通過進水泵由原水箱進入空化-微生物燃料電池反應(yīng)器的底部，經(jīng)底部設(shè)置的多組空化發(fā)生器作用，增加廢水中電子的傳遞，而后廢水經(jīng)上部微生物燃料電池作用，去除污水中的有機物，處理后廢水經(jīng)上方的溢流堰溢流出水。在主反應(yīng)區(qū)內(nèi)，廢水溶解氧DO值為0.9mg/L。經(jīng)過處理后的廢水COD去除率為98.1％，總氮的去除率大于96.4％。
上述僅為本發(fā)明優(yōu)選的實施例，并不限制于本發(fā)明。對于所述領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其他不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施例來舉例說明。而由此方案所引申出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。