CN105540847B - 一种用于含乙腈炼化废水处理的连续流三段生物产电脱盐装置及其应用方法 - Google Patents

一种用于含乙腈炼化废水处理的连续流三段生物产电脱盐装置及其应用方法 Download PDF

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Abstract

一种用于含乙腈炼化废水处理的连续流三段生物产电脱盐装置及其应用方法，它属于炼化废水处理领域，它要解决目前化工废水处理的过程中存在浪费能源问题。装置包括阳极室、阳极碳刷、阴离子交换膜、脱盐室、阳离子交换膜、阴极碳刷、阴极室、参比电极、曝气装置、兼性室，电阻，水泵。应用：经培养、驯化，生成厌氧产电生物膜好氧产电生物膜和兼性厌氧活性污泥；待处理水采用重力流的方式在各处理室进行流动，获得稳定的电能输出即完成。本发明采用连续运行的方式，处理废水降解有机物并高效脱盐，实现了对有毒有害物质处理的同时，获得稳定的电能输出，连续流三段生物产电的运行过程中不需要额外的能力输入或是高的渗透压，具有良好的应用前景。

Description

一种用于含乙腈炼化废水处理的连续流三段生物产电脱盐装 置及其应用方法
技术领域
本发明属于炼化废水处理领域，具体涉及一种产电脱盐装置及其应用方法。
背景技术
环境问题与能源问题制约着人类社会的发展。由于工业的不断发展，导致了工业用水量的急剧攀升，这无疑加重了水资源短缺这一危机。在化学工业生产中产生的大量化工废水含有烃类物质以及其它难降解物质，如果不能妥善处置，势必会造成受纳环境的污染，威胁生态环境安全，危害人类及其它生物的健康，因此，化工废水的处理成为始终困扰工业发展与人类生活的难题。与此同时，人类赖以生存的化石能源日渐枯竭，在化石能源的开采利用过程中也加重了环境问题，因此，寻找可持续的清洁能源成为了解决能源危机的一条出路。化工废水在处理的过程中同样需要耗散一定的能源，其中所蕴含的有机物物质被降解转化也成为了一种资源的浪费。因此，化工废水处理与产生能源相结合为化工废水的处理提供了新的思路与发展方向。生物电化学系统是利用微生物降解有机物，将化学能转化为电能的的电化学装置。
发明内容
本发明目的是为了解决目前化工废水处理的过程中存在浪费能源问题，而提供的一种用于含乙腈炼化废水处理的连续流三段生物产电脱盐装置及其应用方法。
一种用于含乙腈炼化废水处理的连续流三段生物产电脱盐装置，它包括阳极室、阳极碳刷、阴离子交换膜、脱盐室、阳离子交换膜、阴极碳刷、阴极室、参比电极、曝气装置、兼性室，电阻，水泵；所述阳极室和阴极室之间设置脱盐室；所述阳极室和脱盐室之间设置阴离子交换膜，脱盐室和阴极室之间设置阳离子交换膜；阳极室内设置有阳极碳刷和参比电极，阳极室底部设置进水口；脱盐室上部设置出水口；阴极室内设置有阴极碳刷，阴极室底部设置曝气装置；阳极室与阴极室通过外置的电阻相连。
上述用于含乙腈炼化废水处理的连续流三段生物产电脱盐装置的应用方法，按以下步骤进行：
一、培养阶段：关闭水泵，阳极碳刷、阴极碳刷和兼性室中分别接种具有炼化废水降解能力的活性污泥，然后分别向阳极室、阴极室和兼性室注满含乙腈炼化废水，阳极室密封24h，阴极室通过曝气装置持续曝气24h，兼性室静止停留24h，然后分别排水；
二、驯化阶段：通过外置的电阻连接阳极碳刷和阴极碳刷，然后向阳极室和阴极室分别加入PBS缓冲液至浓度为18～22ppm、加葡萄糖至浓度为50～500mg/L，再分别向阳极室、阴极室和兼性室注满含乙腈炼化废水，产生电流后每当电压下降至50mV，然后将阳极室、阴极室和兼性室中所有液体倒掉；
三、重复操作步骤二10-15天后，阳极室生成厌氧产电生物膜，阴极室生成好氧产电生物膜，兼性室生成兼性厌氧活性污泥；
打开水泵，采用下进上出的方式进行待处理水的流动；将含乙腈炼化废水作为待处理水由进水口进入阳极室，水力停留1～4h，阳极室的出水作为兼性室的进水，水力停留1～4h，兼性室的出水作为阴极室的进水，曝气装置的进行曝气，水力停留1～4h，阴极室的出水一部分作为脱盐室的进水，水力停留1～4h，排出作为最终出水，阴极室的另一部分出水回流至兼性室，24h后外置的电阻呈现出稳定的电能输出，即完成用于含乙腈炼化废水处理的连续流三段生物产电脱盐。
本发明用于含乙腈炼化废水处理的连续流三段生物产电脱盐装置，采用连续运行的方式，各室进出水均采取下进上出的方式，含乙腈炼化废水经过阳极室-兼性室-阴极室-脱盐室依次处理，处理废水降解有机物并高效脱盐，实现了对有毒有害物质处理的同时，获得稳定的电能输出，连续流三段生物产电的运行过程中不需要额外的能力输入或是高的渗透压，具有良好的应用前景。
本发明中脱盐率可达80％以上，能够获得600～830mV的输出电压，乙腈的去除率为80％～90％，COD的去除率为50％-90％。
附图说明
图1为本发明中用于含乙腈炼化废水处理的连续流三段生物产电脱盐装置的示意图，其中1表示阳极室、2表示阳极碳刷、3表示阴离子交换膜、4表示脱盐室、5表示阳离子交换膜、6表示阴极碳刷、7表示阴极室、8表示参比电极、9表示曝气装置、10表示兼性室，11表示电阻，12表示水泵；
图2为实施例中COD降解情况的曲线图，其中◆表示原水、■表示阳极出水、▲表示兼性出水、●表示阴极出水；
图3为实施例中产电的极化曲线图，其中●表示电压、▲表示功率密度；
图4为本发明的反应原理图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：结合图1所示，本实施方式用于含乙腈炼化废水处理的连续流三段生物产电脱盐装置，它包括阳极室1、阳极碳刷2、阴离子交换膜3、脱盐室4、阳离子交换膜5、阴极碳刷6、阴极室7、参比电极8、曝气装置9、兼性室10，电阻11，水泵12；所述阳极室1和阴极室7之间设置脱盐室4；所述阳极室1和脱盐室4之间设置阴离子交换膜3，脱盐室4和阴极室7之间设置阳离子交换膜5；阳极室1内设置有阳极碳刷2和参比电极8，阳极室1底部设置进水口；脱盐室4上部设置出水口；阴极室7内设置有阴极碳刷6，阴极室7底部设置曝气装置9；阳极室1与阴极室7通过外置的电阻11相连。
本实施方式中阳极室1为厌氧环境，阴极室7内设置曝气装置9；兼性室10由厌氧的出水和阴极室7的好氧水回流来保证兼性条件。
本实施方式中阳极室1，脱盐室4，阴极室7依次组成的是微生物脱盐燃料电池(MDC)。
具体实施方式二：本实施方式用于含乙腈炼化废水处理的连续流三段生物产电脱盐装置的应用方法，按以下步骤进行：
一、培养阶段：关闭水泵12，阳极碳刷2、阴极碳刷6和兼性室10中分别接种具有炼化废水降解能力的活性污泥，然后分别向阳极室1、阴极室7和兼性室10注满含乙腈炼化废水，阳极室1密封24h，阴极室7通过曝气装置9持续曝气24h，兼性室10静止停留24h，然后分别排水；
二、驯化阶段：通过外置的电阻11连接阳极碳刷2和阴极碳刷6，然后向阳极室1和阴极室7分别加入PBS缓冲液至浓度为18～22ppm、加葡萄糖至浓度为50～500mg/L，再分别向阳极室1、阴极室7和兼性室10注满含乙腈炼化废水，产生电流后每当电压下降至50mV，然后将阳极室1、阴极室7和兼性室10中所有液体倒掉；
三、重复操作步骤二10-15天后，阳极室1生成厌氧产电生物膜，阴极室7生成好氧产电生物膜，兼性室10生成兼性厌氧活性污泥；
打开水泵12，采用下进上出的方式进行待处理水的流动；将含乙腈炼化废水作为待处理水由进水口进入阳极室1，水力停留1～4h，阳极室1的出水作为兼性室10的进水，水力停留1～4h，兼性室10的出水作为阴极室7的进水，曝气装置9的进行曝气，水力停留1～4h，阴极室7的出水一部分作为脱盐室4的进水，水力停留1～4h，排出作为最终出水，阴极室7的另一部分出水回流至兼性室10，24h后外置的电阻11呈现出稳定的电能输出，即完成用于含乙腈炼化废水处理的连续流三段生物产电脱盐。
本实施方式中24h后外置的电阻11呈现出稳定的电能输出，兼性室10完成脱氮排出氮气，阴极室7排出CO2。
本实施方式中反应原理如图4所示。
本实施方式中在阳极室1中处于厌氧环境下，含乙腈炼化废水中的有机物在阳极碳刷2表面的产电微生物作用下被降解，并且产生电子放出质子，由于质子无法穿过阴离子交换膜3，脱盐室4中的阴离子就会转移到阳极室1中以保持电荷平衡；而产生的电子通过外置的电阻11到达阴极室7，脱盐室4中的阳离子通过阳离子交换膜转移到阴极室7，最终在外置的电阻11上呈现出稳定的电能输出，实现了连续流三段生物产电；在这个过程中，脱盐室4中的进水在没有外加压力和电场的条件下进行高效脱盐，与此同时阳极室1降解含乙腈炼化废水中的有机物，兼性室10继续降解剩余的有机物，脱氮并产生氮气排出，阴极室7产生CO2排出。
本实施方式中含乙腈炼化废水来自大庆油田炼化公司乙腈废水车间。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是，步骤一中具有炼化废水降解能力的活性污泥来自城市生活污水处理厂二沉池的活性污泥。其它步骤及参数与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方二不同的是，步骤一中具有炼化废水降解能力的活性污泥的接种量占各室体积的20％～30％。其它步骤及参数与具体实施方式二相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式二不同的是，步骤一中具有炼化废水降解能力的活性污泥的接种量占各室体积的25％。其它步骤及参数与具体实施方式二相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式二不同的是，步骤一、二和三中含乙腈炼化废水的COD均为1500～2000mg/L、BOD均为400～600mg/L、氨氮均为300～400mg/L和乙腈含量均为50～200mg/L。其它步骤及参数与具体实施方式二相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式二不同的是，步骤一、二和三中含乙腈炼化废水的COD均为1800mg/L、BOD均为500mg/L、氨氮均为3500mg/L和乙腈含量均为100mg/L。其它步骤及参数与具体实施方式二相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式二不同的是，步骤二向阳极室1和阴极室7分别加入PBS缓冲液至浓度为20ppm、加葡萄糖至浓度为300mg/L。其它步骤及参数与具体实施方式二相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式二不同的是，步骤三中曝气装置9进行曝气，曝气量为16:1，保持溶解氧含量大于2mg/L。其它步骤及参数与具体实施方式二相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式二不同的是，步骤三中阴极室7的另一部分出水回流至兼性室10，回流比为4:1。其它步骤及参数与具体实施方式二相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例：
结合图1所示，用于含乙腈炼化废水处理的连续流三段生物产电脱盐装置的应用方法，按以下步骤进行：
一、培养阶段：关闭水泵12，阳极碳刷2、阴极碳刷6和兼性室10中分别接种具有炼化废水降解能力的活性污泥，然后分别向阳极室1、阴极室7和兼性室10注满含乙腈炼化废水，阳极室1密封24h，阴极室7通过曝气装置9持续曝气24h，兼性室10静止停留24h，然后分别排水；
二、驯化阶段：通过外置的电阻11连接阳极碳刷2和阴极碳刷6，然后向阳极室1和阴极室7分别加入PBS缓冲液至浓度为20ppm、加葡萄糖至浓度为300mg/L，再分别向阳极室1、阴极室7和兼性室10注满含乙腈炼化废水，产生电流后每当电压下降至50mV，然后将阳极室1、阴极室7和兼性室10中所有液体倒掉；
三、重复操作步骤二15天后，阳极室1生成厌氧产电生物膜，阴极室7生成好氧产电生物膜，兼性室10生成兼性厌氧活性污泥；
打开水泵12，采用下进上出的方式进行待处理水的流动；将含乙腈炼化废水作为待处理水由进水口进入阳极室1，水力停留3h，阳极室1的出水作为兼性室10的进水，水力停留3h，兼性室10的出水作为阴极室7的进水，曝气装置9的进行曝气，水力停留3h，阴极室7的出水一部分作为脱盐室4的进水，水力停留3h，排出作为最终出水，阴极室7的另一部分出水回流至兼性室10，24h后外置的电阻11呈现出稳定的电能输出，即完成用于含乙腈炼化废水处理的连续流三段生物产电脱盐。
本实施例步骤一中具有炼化废水降解能力的活性污泥来自城市生活污水处理厂二沉池的活性污泥；含乙腈炼化废水来自大庆油田炼化公司乙腈废水车间。
本实施例步骤三中曝气装置9的曝气装置9的进行曝气，曝气量为16:1，保持溶解氧含量大于2mg/L；步骤三中阴极室7的另一部分出水回流至兼性室10，回流比为4:1。
本实施例中24h后外置的电阻11呈现出稳定的电能输出；兼性室10完成脱氮排出氮气，阴极室7排出CO2。
图2为COD降解情况的曲线图，可见乙腈炼化废水通过阳极室处理后COD去除率为43％，然后将阳极处理后的水进入到兼性室继续处理，COD的去除率为45％，兼性室处理后的水进入到阴极室继续处理，COD的去除率为50％；
图3为实施例中产电的极化曲线图，可见时产电率较高；
综上本实施例中在实现对有毒有害物质处理的同时，整个处理过程不需要外加能量，能够获得稳定的电能输出，同时可以实现并高效脱盐，具有良好的应用前景。

Claims (9)

1.一种用于含乙腈炼化废水处理的连续流三段生物产电脱盐装置的应用方法，一种用于含乙腈炼化废水处理的连续流三段生物产电脱盐装置包括阳极室(1)、阳极碳刷(2)、阴离子交换膜(3)、脱盐室(4)、阳离子交换膜(5)、阴极碳刷(6)、阴极室(7)、参比电极(8)、曝气装置(9)、兼性室(10)，电阻(11)，水泵(12)；所述阳极室(1)和阴极室(7)之间设置脱盐室(4)；所述阳极室(1)和脱盐室(4)之间设置阴离子交换膜(3)，脱盐室(4)和阴极室(7)之间设置阳离子交换膜(5)；阳极室(1)内设置有阳极碳刷(2)和参比电极(8)，阳极室(1)底部设置进水口；脱盐室(4)上部设置出水口；阴极室(7)内设置有阴极碳刷(6)，阴极室(7)底部设置曝气装置(9)；阳极室(1)与阴极室(7)通过外置的电阻(11)相连，其特征在于它按以下步骤进行：
一、培养阶段：关闭水泵(12)，阳极碳刷(2)、阴极碳刷(6)和兼性室(10)中分别接种具有炼化废水降解能力的活性污泥，然后分别向阳极室(1)、阴极室(7)和兼性室(10)注满含乙腈炼化废水，阳极室(1)密封24h，阴极室(7)通过曝气装置(9)持续曝气24h，兼性室(10)静止停留24h，然后分别排水；
二、驯化阶段：通过外置的电阻(11)连接阳极碳刷(2)和阴极碳刷(6)，然后向阳极室(1)和阴极室(7)分别加入PBS缓冲液至浓度为18～22ppm、加葡萄糖至浓度为50～500mg/L，再分别向阳极室(1)、阴极室(7)和兼性室(10)注满含乙腈炼化废水，产生电流后每当电压下降至50mV，然后将阳极室(1)、阴极室(7)和兼性室(10)中所有液体倒掉；
三、重复操作步骤二10-15天后，阳极室(1)生成厌氧产电生物膜，阴极室(7)生成好氧产电生物膜，兼性室(10)生成兼性厌氧活性污泥；
打开水泵(12)，采用下进上出的方式进行待处理水的流动；将含乙腈炼化废水作为待处理水由进水口进入阳极室(1)，水力停留1～4h，阳极室(1)的出水作为兼性室(10)的进水，水力停留1～4h，兼性室(10)的出水作为阴极室(7)的进水，曝气装置(9)的进行曝气，水力停留1～4h，阴极室(7)的出水一部分作为脱盐室(4)的进水，水力停留1～4h，排出作为最终出水，阴极室(7)的另一部分出水回流至兼性室(10)，24h后外置的电阻(11)呈现出稳定的电能输出，即完成用于含乙腈炼化废水处理的连续流三段生物产电脱盐。
2.根据权利要求1所述的一种用于含乙腈炼化废水处理的连续流三段生物产电脱盐装置的应用方法，其特征在于步骤一中具有炼化废水降解能力的活性污泥来自城市生活污水处理厂二沉池的活性污泥。
3.根据权利要求1所述的一种用于含乙腈炼化废水处理的连续流三段生物产电脱盐装置的应用方法，其特征在于步骤一中具有炼化废水降解能力的活性污泥的接种量占各室体积的20％～30％。
4.根据权利要求1所述的一种用于含乙腈炼化废水处理的连续流三段生物产电脱盐装置的应用方法，其特征在于步骤一中具有炼化废水降解能力的活性污泥的接种量占各室体积的25％。
5.根据权利要求1所述的一种用于含乙腈炼化废水处理的连续流三段生物产电脱盐装置的应用方法，其特征在于步骤一、二和三中含乙腈炼化废水的COD均为1500～2000mg/L、BOD均为400～600mg/L、氨氮均为300～400mg/L和乙腈含量均为50～200mg/L。
6.根据权利要求1所述的一种用于含乙腈炼化废水处理的连续流三段生物产电脱盐装置的应用方法，其特征在于步骤一、二和三中含乙腈炼化废水的COD均为1800mg/L、BOD均为500mg/L、氨氮均为3500mg/L和乙腈含量均为100mg/L。
7.根据权利要求1所述的一种用于含乙腈炼化废水处理的连续流三段生物产电脱盐装置的应用方法，其特征在于步骤二向阳极室(1)和阴极室(7)分别加入PBS缓冲液至浓度为20ppm、加葡萄糖至浓度为300mg/L。
8.根据权利要求1所述的一种用于含乙腈炼化废水处理的连续流三段生物产电脱盐装置的应用方法，其特征在于步骤三中曝气装置(9)进行曝气，曝气量为16:1，保持溶解氧含量大于2mg/L。
9.根据权利要求1所述的一种用于含乙腈炼化废水处理的连续流三段生物产电脱盐装置的应用方法，其特征在于步骤三中阴极室(7)的另一部分出水回流至兼性室(10)，回流比为4:1。
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