CN101417848A

CN101417848A - 一种处理含对氯酚废水同时回收电能的装置及方法

Info

Publication number: CN101417848A
Application number: CNA2008101223872A
Authority: CN
Inventors: 雷乐成; 张兴旺; 李中坚; 顾荷炎; 林君
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2008-11-24
Filing date: 2008-11-24
Publication date: 2009-04-29

Abstract

本发明公开了一种处理含对氯酚废水同时回收电能的装置及方法，装置包括连接成一体的阳极室和阴极室。阳极室和阴极室之间有质子交换膜。在阳极室中安装有阳极和曝气管。在阴极室中安装有阴极和曝气管。本发明在处理含对氯酚废水的过程中，利用阳极室内的厌氧污泥在厌氧条件下氧化营养液中的有机物产生的质子和电子将废水中的对氯酚还原为苯酚，同时回收电能。本发明结构简单、操作方便，可以在常温下应用，并且适用于处理各种含氯酚类有机污染物的废水。本发明中对氯酚的去除率在90％以上，最高可达100％。并且可以从处理过程中回收电能。一次启动可以长时间运行。可以处理高浓度含氯酚类有机污染物废水，适宜于大规模推广应用。

Description

一种处理含对氯酚废水同时回收电能的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种利用微生物燃料电池原理处理含对氯酚废水的装置及方法。实现在处理废水的过程中同时回收电能。属于环保及能量回收技术领域。

背景技术

持久性有机污染物(Persistent Organic Pollutants，POPs)是指具有长期残留性、生物蓄积性、半挥发性和高毒性，通过各种环境介质(大气、水、生物体等)能够长距离迁移并长期存在于环境，进而对人类健康和环境具有严重危害的天然或人工合成的有机污染物质。POPs物质由于其自身的生物毒性，大多数具有很强的亲脂憎水性，易在生物体内积累，当POPs物质通过各种途径被生物体摄入后，就会在脂肪中进行累积形成“生物蓄积”，其浓度一般高于周围环境介质中的POPs浓度，形成所谓的“生物浓缩”，从而对生物体产生严重的危害。在食物链中由于捕食关系，处于高营养级的生物体由于不断捕食体内含有POPs的低营养级生物，其体内将积累更高浓度的POPs，而人类处于食物链的最高营养级，这种食物链的放大作用势必会给人类带来严重的危害。由于其难降解、具有半挥发特性，可以在大气中实现长距离的扩散并蓄积在生物体内。POPs属于“三致”物质，可以导致内分泌紊乱、生殖及免疫系统失调等危害，因此持久性有机污染物的污染控制受到国际社会的愈来愈广泛的关注。

大多数氯酚类化合物是一种持久性有机物，具有致癌性和致内分泌紊乱性。因其可作为木材防腐剂、防锈剂、杀菌剂和除草剂等而得到广泛应用。但同时也对自然环境特别是水体造成严重污染。美国EPA和中国环境监测总站都将多种氯酚类化合物列为优先控制污染物。

氯酚类化合物由于其自身芳环结构和氯代原子的存在而很难降解。在给水处理中，用常规物化工艺和生物处理均难以有效地去除。传统处理氯酚类化合物的方法中高级氧化技术通常需要高温高压的极端条件，使得成本高，操作难度大，设备要求严格。而利用微生物直接处理又因为氯酚类化合物具有生物毒性而不能处理高浓度的废水。而以零价铁还原技术为代表的一系列化学还原处理法其效率尚待提高。微生物燃料电池作为一项近年来刚刚兴起的技术，因其环境友好性和能够回收电能而被广泛应用于污水处理领域。但是大多数用于污水处理的微生物燃料电池技术是利用其阳极的厌氧微生物对有机污染物的降解能力来处理污水，作为微生物燃料电池重要组成部分的阴极往往被忽略。在本发明中，选用对氯酚作为模拟污染物。对氯酚还原为苯酚的电极反应的标准电极电势为+0.5-+1.5V。在典型的微生物燃料电池中，阳极的标准电极电势为-0.296V，这就使得对氯酚能够有效地接受由阳极传递到阴极的电子。因此，以对氯酚作为阴极氧化剂构建微生物燃料电池实现在产电的同时利用阴极室降解对氯酚废水的功能是可行的。同时，由于阴阳两室用质子交换膜分隔开来，微生物和对氯酚不直接接触，这也排除了对氯酚对微生物的毒害，使得用该项技术处理高浓度含对氯酚废水成为了可能。

发明内容

本发明的目的是提供一种处理含对氯酚废水同时回收电能的装置及方法，将微生物燃料电池和废水处理技术相集成，以实现在处理含对氯酚废水的同时回收电能的目的。

本发明的处理含对氯酚废水同时回收电能的装置，包括连接成一体的阳极室和阴极室，在阳极室和阴极室之间有质子交换膜，质子交换膜和阳极室的连接处有第一橡胶圈，质子交换膜和阴极室的连接处有第二橡胶圈，在阳极室中安装有阳极和第一曝气管，阳极室顶部设有第一排气采样口，阴极室中安装有阴极和第二曝气管，阴极室顶部设有第二排气采样口，阳极与阴极分别有引出导线。

上述的阳极可以是碳毡，阴极可以是碳毡、碳纸或石墨纸。所说的质子交换膜采用杜邦公司生产的Nafion 117膜。

利用本发明所述装置处理含对氯酚废水同时回收电能的方法，其特征是在20～40℃下按以下步骤进行：

1)启动反应装置：以取自城市污水处理厂厌氧消化池的污泥作为接种微生物，与营养液混合后注入阳极室，接种微生物和营养液的体积比为1:3，通过第一曝气管在阳极室通入氮气，在阴极室中加入电解质溶液，通过第二曝气管在阴极室通入氮气，当阴阳两极间的电势差低于200mV时更新阳极室中的营养液，使得阴阳两极间电势差上升到600mV，并使两极间电势差在200mV-600mV之间重复变化两个周期，反应装置启动成功；

2)处理含对氯酚废水：排尽阴极室中的电解质溶液，注入含对氯酚的废水，并通过第二曝气管曝氮气，在阴极和阳极之间接入负载形成回路产生电能，利用阳极微生物产生的质子和电子将对氯酚还原脱氯去除污染物。

本发明处理方法中，所说的营养液组成为每升含：KH₂PO₄，13.60g；CH₃COONa，1.00g；NaCl，11.70g；NaOH，2.30g；NH₄Cl，0.45g；MgCl₂·6H₂O，0.17g；FeCl₃·6H₂O，1.00mg；MnCl₂·4H₂O，23.0mg；CaCl₂，15.0mg；

所说的电解质溶液组成为每升含：KH₂PO₄，13.60g；NaCl，11.70g；NaOH，2.30g。

在处理废水过程中，对于有些电导率较低的废水，可以加入一定量的盐酸盐，以提高产电和污染物去除效率。

本发明处理废水的原理如下：在处理含对氯酚废水的过程中，阳极室内的厌氧污泥在厌氧条件下氧化营养液中的有机物产生质子和电子。电子从细胞内传到阳极后经由外电路到阴极。质子则通过质子交换膜到阴极室。最后，吸附在阴极上的对氯酚接受质子和电子被还原为苯酚。对氯酚脱氯是整个微生物燃料电池系统共同作用的结果，包括质子和电子的产生、传递和消耗三个阶段。阴阳两室中的反应式如下：

CH₃COO^-+4H₂O→2HCO₃ ^-+9H⁺+8e^-

RCl+H⁺+2e^-→RH+Cl^-

本发明的有益效果在于：

本发明结构简单、操作方便，可以在常温下应用，并且适用于处理各种含氯酚类有机污染物的废水。本发明中对氯酚的去除率在90％以上，最高可达100％。并且可以从处理过程中回收电能。一次启动可以长时间运行。可以处理高浓度含氯酚类有机污染物废水，适宜于大规模推广应用。

附图说明

图1为处理含对氯酚废水同时回收电能的装置示意图。

图2为电压输出随时间的变化曲线。

图3为对氯酚浓度随时间的变化曲线。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合附图以及具体实施对本发明作进一步说明。

参照图1，本发明的处理含对氯酚废水同时回收电能的装置，包括连接成一体的阳极室1和阴极室2，在阳极室和阴极室之间有质子交换膜7，质子交换膜7和阳极室1的连接处有第一橡胶圈5，质子交换膜7和阴极室2的连接处有第二橡胶圈6，在阳极室1中安装有阳极3和第一曝气管10，阳极室顶部设有第一排气采样口12，阴极室2中安装有阴极4和第二曝气管11，阴极室2顶部设有第二排气采样口13，阳极3与阴极4分别有引出导线8和9。

实施例

处理含对氯酚60mg/l的废水，废水中含氯化钠11.7g/l，pH＝6.5。阳极和阴极均采用碳毡作为电极材料。在35℃下按以下步骤进行：

启动反应装置：以取自城市污水处理厂厌氧消化池的污泥作为接种微生物，与营养液混合后注入阳极室，接种微生物和营养液的体积比为1:3。营养液组成为每升含：KH₂PO₄，13.60g；CH₃COONa，1.00g；NaCl，11.70g；NaOH，2.30g；NH₄Cl，0.45g；MgCl₂·6H₂O，0.17g；FeCl₃·6H₂O，1.00mg；MnCl₂·4H₂O，23.0mg；CaCl₂，15.0mg。通过第一曝气管在阳极室通入氮气以起到搅拌作用。在阴极室中加入电解质溶液，阴极室中的电解质溶液组成为每升含：KH₂PO₄，13.60g；NaCl，11.70g；NaOH，2.30g。通过第二曝气管在阴极室通入氮气以起到搅拌作用。当阴阳两极间的电势差低于200mV时更新阳极室中的营养液。使得阴阳两极间电势差上升到600mV，并使两极间电势差在200mV-600mV之间重复变化两个周期，反应装置启动成功。

反应装置启动后，排尽阴极室中的电解质溶液，将200ml废水注入到阴极室中，并通过第二曝气管曝氮气以起到搅拌的作用，在阴极和阳极之间接入200欧姆电阻。用万用表监测记录电阻两端的电压。反应持续45小时。电压输出随时间的变化如图2所示。对氯酚的浓度随时间的变化如图3所示。45小时后对氯酚完全去除。通过极化曲线的测定得到最大输出功率为12.4mW/m²。

Claims

1.一种处理含对氯酚废水同时回收电能的装置，其特征在于包括连接成一体的阳极室(1)和阴极室(2)，在阳极室和阴极室之间有质子交换膜(7)，质子交换膜(7)和阳极室(1)的连接处有第一橡胶圈(5)，质子交换膜(7)和阴极室(2)的连接处有第二橡胶圈(6)，在阳极室(1)中安装有阳极(3)和第一曝气管(10)，阳极室顶部设有第一排气采样口(12)，阴极室(2)中安装有阴极(4)和第二曝气管(11)，阴极室(2)顶部设有第二排气采样口(13)，阳极(3)与阴极(4)分别有引出导线(8)和(9)。

2.根据权利要求1所述的处理含对氯酚废水同时回收电能的装置，其特征在于阳极(3)是碳毡，阴极(4)是碳毡、碳纸或石墨纸，质子交换膜(7)为杜邦公司生产的Nafion 117膜。

3.利用权利要求1所述装置处理含对氯酚废水同时回收电能的方法，其特征是在20～40℃下按以下步骤进行：

1)启动反应装置：以取自城市污水处理厂厌氧消化池的污泥作为接种微生物，与营养液混合后注入阳极室，接种微生物和营养液的体积比为1∶3，通过第一曝气管在阳极室通入氮气，在阴极室中加入电解质溶液，通过第二曝气管在阴极室通入氮气用???，当阴阳两极间的电势差低于200mV时更新阳极室中的营养液，使得阴阳两极间电势差上升到600mV，并使两极间电势差在200mV-600mV之间重复变化两个周期，反应装置启动成功；

4.根据权利要求3所述的处理含对氯酚废水同时回收电能的方法，其特征在于所说的营养液组成为每升含：KH₂PO₄，13.60g；CH₃COONa，1.00g；NaCl，11.70g；NaOH，2.30g；NH₄Cl，0.45g；MgCl₂·6H₂O，0.17g；FeCl₃·6H₂O，1.00mg；MnCl₂·4H₂O，23.0mg；CaCl₂，15.0mg。

5.根据权利要求3所述的处理含对氯酚废水同时回收电能的方法，其特征在于所说的电解质溶液组成为每升含：KH₂PO₄，13.60g；NaCl，11.70g；NaOH，2.30g。