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CN103825041A - 一种处理酸性矿井废水的单室无膜厌氧型微生物燃料电池 - Google Patents

一种处理酸性矿井废水的单室无膜厌氧型微生物燃料电池 Download PDF

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CN103825041A
CN103825041A CN201410081461.6A CN201410081461A CN103825041A CN 103825041 A CN103825041 A CN 103825041A CN 201410081461 A CN201410081461 A CN 201410081461A CN 103825041 A CN103825041 A CN 103825041A
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CN
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anode
fuel cell
mine
waste water
acid waste
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Application number
CN201410081461.6A
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Inventor
蔡昌凤
罗亚楠
卜文辰
徐建平
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Anhui Polytechnic University
Original Assignee
Anhui Polytechnic University
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Publication date
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    • H01M8/16—Biochemical fuel cells, i.e. cells in which microorganisms function as catalysts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/34—Biological treatment of water, waste water, or sewage characterised by the microorganisms used
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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Abstract

本发明涉及一种处理酸性矿井废水的单室无膜厌氧型微生物燃料电池，包括阴极和阳极，以污泥为阳极区底物，含有硫酸盐还原菌的酸性矿井废水为阴极液，污泥与酸性矿井废水的体积比为1:9，污泥与酸性矿井废水直接接触而且自然分层分区，阳极插入污泥层形成阳极区，阴极插入酸性矿井废水层形成阴极区。阳极与阴极分别用导线引出，外接电阻，形成电回路。本发明微生物燃料电池不仅能够加速提升酸性矿井废水的pH值、降低硫酸根离子和重金属离子浓度、消耗剩余污泥，而且厌氧无膜结构成本低、能够产生一定电量。

Description

一种处理酸性矿井废水的单室无膜厌氧型微生物燃料电池
技术领域
本发明属于微生物燃料电池技术领域，特别涉及一种处理酸性矿井废水的单室无膜厌氧型微生物燃料电池。
背景技术
酸性矿井废水(Acidic Mine Drainage,简称AMD)污染是一个世界性的问题，AMD中含有高浓度的硫酸盐和可溶性的重金属离子，同时pH低、酸度大。因此一旦排放将会对河流及其生物产生严重影响，甚至会污染地下水体。一旦污染发生将很难治理。
目前国内外关于治理酸性矿井废水的主要办法有连续碱生产系统（SAPS）、人工湿地法、硫酸盐还原菌生化处理和原位治理的可渗透反应墙法(PRB)等。但是碱法存在二次污染，人工湿地法需大面积湿地；生化处理法，硫酸盐还原菌最适pH为7，且硫酸盐还原菌对重金属离子耐受性差，目前生化入水调节pH主要用碱法，效果差、废渣易产生二次污染。治理酸性矿井废水技术有待完善。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种处理酸性矿井废水的单室无膜厌氧型微生物燃料电池。
本发明提供了一种单室无膜厌氧微生物电池（MFC）系统，该系统以污泥为底物，厌氧消耗污泥产电，硫酸盐还原菌生物阴极厌氧反应，以硫酸盐为电子受体，避免了常规以氧为电子受体时必须使用质子膜带来的高成本和膜污染问题，不仅能够加速提升酸性矿井废水的pH值、降低硫酸根离子和重金属离子浓度、消耗剩余污泥，而且厌氧无膜结构成本低、能够产生一定电量。
本发明采用的技术方案是：
一种处理酸性矿井废水的单室无膜厌氧型微生物燃料电池，包括阴极和阳极，以污泥为阳极区底物，含有硫酸盐还原菌的酸性矿井废水为阴极液，污泥与酸性矿井废水的体积比为1:9，污泥与酸性矿井废水直接接触而且自然分层分区，阳极插入污泥层形成阳极区，阴极插入酸性矿井废水层形成阴极区。阳极与阴极分别用导线引出，外接电阻，形成电回路。
所述阳极材料为团状球不锈钢金属丝，以增大阳极污泥的接触面积；所述阴极材料为碳片；阳极和阴极的极间距为3-5mm。
所述酸性矿井废水含有重金属离子，酸性矿井废水按酸性矿井废水与硫酸盐还原菌液的体积比3.5:1接种硫酸盐还原菌，形成硫酸盐还原菌生物阴极厌氧反应，以硫酸盐为电子受体，避免了常规以氧为电子受体时必须使用质子膜带来的高成本和膜污染问题；硫酸盐还原菌液中硫酸盐还原菌的浓度为：3.25×108个/mL。
所述污泥为城市生活污水厂活性污泥，不仅可以作为阳极的产电菌，而且厌氧酸化产物可以作为缓释的溶解性COD为硫酸盐还原菌提供碳源。
本发明微生物燃料电池处理的酸性矿井废水的重金属离子总浓度为100mmol/L-200mmol/L,阳极产电菌厌氧消耗污泥产生的电子通过外电路传递到阴极上与废水中的H+与SO4 2-结合生成H2S和H2O，消耗H+、SO4 2-，同时，生成的部分S2-还可以结合绝大多数的重金属离子生成硫化物沉淀去除。解决了低pH值、高硫酸根离子和重金属离子对于硫酸盐还原菌的抑制问题，从而达到加速提高pH、降解硫酸根、去除重金属离子的目的。
附图说明
图1为处理酸性矿井废水的单室无膜厌氧型微生物燃料电池的结构示意图
图中：1、污泥；2、含有硫酸盐还原菌的酸性矿井废水；3、碳片；4、团球状不锈钢金属丝；5密封塞。
具体实施方式
单室微生物燃料电池用团球状不锈钢金属丝4作为阳极，碳片3作为阴极，两极极间距为3～5mm，阴阳两极用铜导线导出，外接1000Ω电阻构成循环回路。电池系统由容积10*10*10cm的有机玻璃板构成，顶部有机玻璃板设有开孔，投加100mL的城市生活污水处理厂活性污泥1，加入900mL含有硫酸盐还原菌的酸性矿井废水3，污泥与酸性矿井废水直接接触而且自然分层分区，阳极插入污泥层形成阳极区，阴极插入酸性矿井废水层形成阴极区。阳极与阴极分别用导线引出，外接电阻，形成电回路。充氮气后用密封塞5将开孔封严保持厌氧态运行。按模拟酸性矿井废水与硫酸盐还原菌液的体积比3.5:1接种硫酸盐还原菌，硫酸盐还原菌液中硫酸盐还原菌的浓度为：3.25×108个/mL；模拟酸性矿井废水的配方为：NH4Cl0.191g/L，K2HPO30.075g/L，Na2SO42.215g/L MgSO4·7H2O3.844g/L，CuCl2·2H2O0.0797g/L，FeSO4·7H2O0.149g/L，Pb(NO3)20.0479g/L，ZnCl20.0628g/L，Cd(NO3)2·4H2O0.0825g/L。阳极产电菌厌氧消耗污泥产生的电子通过外电路传递到阴极上与废水中的H+与SO4 2-结合生成H2S和H2O，从而达到加速提高pH、降低硫酸根离子浓度的目的，同时，生成的部分S-还可以结合绝大多数的重金属离子生成硫化物沉淀去除。该燃料电池系统对硫酸根的去除率为69.4%，对重金属离子Cd2+、Cu2+、Pb2+、Zn2+、总铁的去除率均能达到90%以上，尤其是Cu2+的去除率在99%以上。

Claims (5)

1.一种处理酸性矿井废水的单室无膜厌氧型微生物燃料电池，包括阴极和阳极，以污泥为阳极区底物，含有硫酸盐还原菌的酸性矿井废水为阴极液，污泥与阴极液的体积比为1:9，污泥与酸性矿井废水直接接触而且自然分层分区，阳极插入污泥层形成阳极区，阴极插入酸性矿井废水层形成阴极区。阳极与阴极分别用导线引出，外接电阻，形成电回路。
2.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于：所述阳极材料为团状球不锈钢金属丝，所述阴极材料为碳片，极间距为3-5mm。
3.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于：所述污泥为城市生活污水厂活性污泥。
4.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于：所述阴极液按酸性矿井废水与硫酸盐还原菌液的体积比3.5:1接种硫酸盐还原菌，硫酸盐还原菌液中硫酸盐还原菌的浓度为3.25×108个/mL。
5.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于：所述阴极液酸性矿井废水中含有重金属离子，重金属离子为Cd2+、Cu2+、Pb2+、Zn2+、Fe2+，重金属总离子浓度100mmol/L-200mmol/L。
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