CN101607776B - 一种啤酒废水处理装置及处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种啤酒废水处理装置及处理方法。包括反应器，所述反应器的组成包括阴极室和阳极室，阴极室和阳极室之间由质子交换膜隔开，阳极置于阳极室内部，阴极置于阴极室内部，阴极室和阳极室下端和上端分别设有进水口与和出水口，阳极室上部由密封盖密封，阴极室底部设有曝气装置，阳极与阴极间通过导线连接，并与负载连接组成闭合回路。本发明利用微生物燃料电池的双极室构成厌氧---好氧联合工艺处理啤酒废水可以在废水处理的同时产生电能，具有环境、社会和经济三重效益。本发明不仅可以处理啤酒废水，还适用于其他高浓度有机工业废水，甚至包括难降解的有机废水的处理，可有效地将化学能转化为电能，同时获得较好的废水处理效果。

Description

一种啤酒废水处理装置及处理方法

(一)技术领域

本发明涉及的是一种工业废水处理技术领域，特别是一种酿造废水的处理技术。本发明也涉及一种微生物燃料电池技术。

(二)背景技术

微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，MFC)是利用微生物的催化作用将化学能转化为电能的一种装置，能同时产电和进行废水处理。许多小分子和大分子混合有机物都可以被用作底物，如葡萄糖、醋酸钠、生活废水等，大多数底物在产电的同时都可以得到很好的降解。MFC在污水处理领域的应用无疑是污水处理理念的重大革新，既净化了污水又回收了生物质能，同时污泥产率低，降低了水厂处理成本，可最大限度地实现污水处理的可持续发展。

啤酒工业在生产啤酒过程中耗水量相当大，吨酒耗水量约为6～10t，依废水来源可将啤酒工业废水分为两大类：一是高浓度有机废水，主要来自浸麦、糖化和发酵工序，废水量占总废水量的25％～35％；二是低浓度有机废水，来自制麦车间和灌装车间等的浸麦水、冲洗水和洗涤水，废水量占总废水量的65％～75％。啤酒废水中主要含有糖类、淀粉、蛋白质、醇类、纤维素等有机物和酒糟、啤酒花及凝聚蛋白等悬浮物。废水本身无毒性，但含有大量有机物质，其BOD₅/COD较高，为0.4～0.6，可生化性好，含有较高浓度的有机物的废水，如未经处理直接排入自然水体，易消耗水体中的溶解氧，造成水体缺氧，最终导致水质发黑变臭，严重污染水体环境。因此，对啤酒废水采用合适的工艺进行处理非常必要。

目前，国内外多采用生物法处理啤酒废水。好氧处理法包括SBR法、CASS法、BAF法、生物接触氧化池等。厌氧生物处理法包括UASB、UBF、IC厌氧内循环技术等。为了更好提高啤酒废水治理效益，采用最广泛的是厌氧-好氧组合工艺，如酸化-SBR法处理啤酒废水、UASB-好氧接触氧化工艺处理啤酒废水、内循环反应器+氧化沟工艺处理啤酒废水等。但以上技术存在处理效率受温度影响大、产生的甲烷纯度不高等问题。采用新型的微生物燃料电池处理啤酒废水可以在处理废水的同时回收生物质能，是一项有发展前景的方法。

中国专利申请号为200710144550.0的专利文件中公开了一种微生物燃料电池及其处理啤酒废水的方法。该技术方案中的微生物燃料电池一端开口，另一端封闭，阴极固定在开口端，阳极固定在封闭端，阴极、阳极与筒体之间形成燃料室。以啤酒废水中的土著微生物作为菌源，启动反应器；利用微生物分解代谢降低有机物浓度同时获得电能。啤酒废水COD去除率在85％以上，最高可达98％；出水的COD小于450mg/L，最低出水的COD可达20mg/L。该发明具有装置结构简单、处理效果和产电量受温度影响较小，处理废水的同时回收生物质能等优点。但该微生物燃料电池处理啤酒废水的方法采用的是单室微生物燃料电池，全部处理过程采用的是厌氧生物处理技术，啤酒废水的去除率波动较大在85％～98％，出水变化范围较宽，COD在450～20mg/L，虽然最低达到20mg/L，但一些时候的出水COD达不到排放标准，仍需接后续处理工艺进一步处理，另外，该发明全部处理过程采用厌氧生物处理技术本身存在出水中COD值可能达不到排放标准的问题，即使能将COD值降到很低，由于厌氧生物处理技术反应速度慢，需要较长的停留时间，甚至可达数天。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种可有效地将化学能转化为电能，同时获得较好的废水处理效果，结构简单，易于组合、扩大处理规模的一种啤酒废水处理装置。本发明的目的还在于基于本发明的啤酒废水处理装置的处理方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的啤酒废水处理装置包括反应器，所述反应器的组成包括阴极室和阳极室，阴极室和阳极室之间由质子交换膜隔开，阳极置于阳极室内部，阴极置于阴极室内部，阴极室和阳极室下端和上端分别设有进水口与和出水口，阳极室上部由密封盖密封，阴极室底部设有曝气装置，阳极与阴极间通过导线连接，并与负载连接组成闭合回路。

所述的阳极由碳纤维、碳纸、碳毡、碳纳米管、石墨板、石墨颗粒、活性炭或泡沫金属中的一种制成。

所述阳极由碳纤维缠绕在石墨棒上制成，阳极室内壁上设置支撑槽，石墨棒通过支撑槽固定。

所述阴极由碳纤维、碳纸、碳毡、碳纳米管、石墨板、石墨颗粒、活性炭、泡沫金属中的一种制成，另外也可采用气体扩散电极做阴极。

所述阴极中可不专门负载贵金属或其他化学催化剂，阴极上生长的生物膜中的微生物可起到生物催化剂的作用，从而降低成本。阴极上也可少量负载Pt、Ag等金属或金属氧化物等化学催化剂，以同时利用生物催化剂和化学催化剂的双重催化作用。

阳极室密封盖的中部设有测试电极插口。

所述反应器为方形。

基于本发明的啤酒废水处理装置的处理方法为：

采用啤酒废水处理装置处理啤酒废水，啤酒废水处理装置的组成包括反应器，所述反应器的组成包括阴极室和阳极室，阴极室和阳极室之间由质子交换膜隔开，阳极置于阳极室内部，阴极置于阴极室内部，阴极室和阳极室下端和上端分别设有进水口与和出水口，阳极室上部由密封盖密封，阴极室底部设有曝气装置，阳极与阴极间通过导线连接，并与负载连接组成闭合回路；啤酒废水由阳极室进水口进入阳极室，在阳极室厌氧降解5～10h，然后由阳极室出水口流出；阳极室的出水由阴极室进水口流入阴极室，在阴极室好氧生物处理5～10h，然后由阴极室出水口流出，整个处理过程采用连续流方式运行，反应温度为常温。

本发明由容器、阳极、阴极等组成啤酒废水处理装置，所述的阳极为碳纤维、碳纸、碳毡、碳纳米管、石墨板、石墨颗粒、活性炭或泡沫金属中的一种，所述的阴极为碳纤维、碳纸、碳毡、碳纳米管、石墨板、石墨颗粒、活性炭、泡沫金属中的一种，另外也可采用气体扩散电极做阴极。阴极上可不专门负载贵金属或其他化学催化剂，阴极上生长的生物膜中的微生物可起到生物催化剂的作用，从而降低成本。阴极上也可少量负载Pt、Ag等金属或金属氧化物等化学催化剂，以同时利用生物催化剂和化学催化剂的双重催化作用。这所述的容器为方形反应器即双室微生物燃料电池，反应器包括阴极室和阳极室，阴极室和阳极室下端分别有进水口、上端有出水口，阳极室的上部带有密封盖，阳极位于阳极室的内部，阴极位于阴极室的内部或外侧，两极间通过铜导线连接，并与负载连接组成闭合回路。本发明电池阳极室为厌氧环境，可以在阳极室设有搅拌器搅拌或采用上升流，以保证溶液的均匀混合和高效产电。阴极室为好氧环境，在阴极室底部设有曝气装置，提供好氧生物降解所需的氧气和阴极表面氧还原所需的氧气。

微生物燃料电池构建厌氧-好氧复合工艺处理啤酒等工业废水的方法是将啤酒废水首先引入厌氧的阳极室，阳极室和阳极材料表面富有大量处理啤酒废水的微生物，利用厌氧生物处理技术将啤酒废水中的有机物进行降解，阳极室的出水直接或经稀释后进入好氧的阴极室，阴极室存在大量的好氧微生物，利用好氧生物处理技术将阳极室出水中含有的剩余有机物进一步好氧降解，利用微生物的双极室构成厌氧-好氧复合工艺联合处理啤酒废水，大大提高出水水质。

另外，本发明在处理啤酒废水的过程中，阳极表面的微生物氧化降解啤酒废水中的有机物，同时产生电子和质子，电子转移到阳极上，由外电路传递到阴极，同时质子也到达阴极，在阴极表面，氧气、质子和电子结合生成水。这样在有机物降解的同时产生了电能，产生的这些电能可以供给反应器或其他用电的地方。

目前MFC对废水中有机物的处理大多都发生在阳极室，很少有研究者注意到双室MFC中的阴极室进一步降解有机物的能力。众所周知，阳极室是在厌氧环境下进行操作的，一般废水经过厌氧处理后仍含有较高的COD，不具备彻底的将基质中的有机物完全去除掉的能力，因而需要进一步的深度处理。值得注意的是，MFC兼具厌氧和好氧处理的特征。从微生物的方面来讲，产电细菌只在厌氧环境下活性较高(好氧条件下产电量少)，因此MFC是一个厌氧处理过程；而从整体上来讲，阴极室一般以氧气作为电子受体，是一个好氧的处理过程。因此，本发明利用双室MFC构建了一个厌氧——好氧联合处理系统，将阳极室的出水直接用于阴极室进水，这样可以对阳极室出水进行进一步的好氧处理，大大提高了微生物燃料电池的出水水质。

本发明利用微生物燃料电池的双极室构成厌氧---好氧联合工艺处理啤酒废水，在厌氧后加了一道好氧工艺，将阳极室出水直接作为好氧的阴极室的底物，阴极室内生长的异养微生物则可以利用氧气将基质中可生物降解的有机物进一步氧化，从而降低出水中的COD，提高整个系统的废水处理效果。水力停留时间14.7h，对啤酒废水的去除率可达到92.2％～95.1％，出水COD低于100mg/L，具有处理时间短、出水水质稳定、处理效率高等优点，具有广阔的应用前景。

本发明利用微生物燃料电池的双极室构成厌氧---好氧联合工艺处理啤酒废水可以为阳极室质子传递到阴极室提供另一种新的途径，从而有效地降低质子的传递阻力。

本发明利用微生物燃料电池的双极室构成厌氧---好氧联合工艺处理啤酒废水，在阴极上可以生长生物膜，微生物可起到生物催化剂的作用，阴极上可以不载或少载贵金属或其他化学催化剂，从而降低成本。

本发明利用微生物燃料电池的双极室构成厌氧---好氧联合工艺处理啤酒废水可以在废水处理的同时产生电能，具有环境、社会和经济三重效益。

本发明不仅可以处理啤酒废水，还适用于其他高浓度有机工业废水，甚至包括难降解的有机废水的处理，可有效地将化学能转化为电能，同时获得较好的废水处理效果。

本发明中电池构型采用双室方形微生物燃料电池，结构简单，易于组合、扩大处理规模，易于改变操作条件，有利于电池的最优化。

(四)附图说明

图1是本发明的装置的结构示意图；

图2-A和图2-B是本发明的运行期废水的处理效果。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1，本发明的反应器1组成包括阴极室12和阳极室13，两极室之间由质子交换膜7隔开，两电极分别置于阳极室13和阴极室1内部，阳极材料采用碳纤维3，碳纤维3缠绕在石墨棒4上，在支撑槽5上固定。阴极2采用碳毡。方形反应器的阴极室和阳极室下端和上端分别设有进水口10、15和出水口9、14，阳极室密封盖中部设有测试电极插口8，阴极室底部设有曝气装置11。两极间通过铜导线连接，并与负载连接组成闭合回路，负载的调节范围为1～10000Ω。

反应器运行时啤酒废水由阳极室进水口15进入阳极室，在阳极室厌氧降解7.35h，然后由阳极室出水口14流出，经泵由阴极室进水口10流入阴极室，在阴极室好氧生物处理7.35h，然后由阴极室出水口9流出。由于本发明利用微生物燃料电池的双极室构成了厌氧-好氧联合处理工艺，在厌氧后加了一道好氧工艺，将阳极室出水直接作为好氧的阴极室的底物，阴极室内生长的异养微生物则可以利用氧气将基质中可生物降解的有机物进一步氧化，从而降低出水中的COD，提高整个系统的废水处理效果。

试验结果如下：

图2为微生物燃料电池在外阻为100Ω的条件下稳定运行一段时期后，整个体系的COD的变化情况。

由图2-A可知，阳极室进水COD在1237～1389mg/L范围时，阳极室出水COD为558～663mg/L，阳极室出水进入阴极室，进行有机物的进一步降解，阴极室出水即整个连续流MFC体系的出水COD降低到68～99mg/L，出水比较稳定。从图2-B中可以看出，阳极室厌氧生物处理过程中COD去除率为47.6％～56.5％，相对阴极室的进水COD值(558～663mg/L)来看，阴极室好氧生物处理过程中COD的去除率为86％～91％，而双极室联合处理啤酒废水的微生物燃料电池整个体系COD总降解率可达到92.2％～95.1％，由此可见，本发明对于啤酒废水有着较好的处理效果，当整个体系停留时间为14.7h(两极室分别为7.35h)时，出水COD能达到一个较低的水平。

Claims (1)

1.一种啤酒废水处理装置，包括反应器，其特征是：所述反应器的组成包括阴极室和阳极室，阴极室和阳极室之间由质子交换膜隔开，阳极置于阳极室内部，阴极置于阴极室内部，阴极室和阳极室下端和上端分别设有进水口与出水口，阳极室上部由密封盖密封，阴极室底部设有曝气装置，阳极与阴极间通过导线连接，并与负载连接组成闭合回路；所述阳极由碳纤维缠绕在石墨棒上制成，阳极室内壁上设置支撑槽，石墨棒通过支撑槽固定；所述阴极采用碳毡；反应器运行时啤酒废水由阳极室进水口进入阳极室，在阳极室厌氧降解5～10h，然后由阳极室出水口流出，经泵由阴极室进水口流入阴极室，在阴极室好氧生物处理5～10h，然后由阴极室出水口流出，整个处理过程采用连续流方式运行，反应温度为常温；阴极负载有Pt、Ag金属或金属氧化物化学催化剂，或者是负载有生物催化剂和化学催化剂双重催化剂；阳极室密封盖的中部设有测试电极插口；所述反应器为方形。

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