CN105645586B - 一种用于含硫铵炼化废水处理的连续流三段生物产电脱盐装置的使用方法 - Google Patents

一种用于含硫铵炼化废水处理的连续流三段生物产电脱盐装置的使用方法 Download PDF

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Abstract

一种用于含硫铵炼化废水处理的连续流三段生物产电脱盐装置的使用方法，它涉及一种用于含硫铵炼化废水处理的装置的使用方法。本发明是要解决目前的微生物脱盐燃料电池的脱盐率和石化废水中的污染物和硫铵的去除率较低，无法工业化的技术问题。本发明由阳极室、阴离子交换膜、脱盐室、阳离子交换膜、阴极室、曝气装置和兼性室组成；阴极室的底部设置曝气装置，阳极室的底部设置有进水口，阳极室顶部设置的出水口与兼性室底部设置的进水口连通，兼性室顶部设置的出水口与阴极室底部设置的进水口连通，阴极室顶部设置的出水口分别与脱盐室底部设置的进水口和兼性室底部设置的进水口连通，脱盐室顶部设置有出水口。本发明应用于水处理领域。

Description

一种用于含硫铵炼化废水处理的连续流三段生物产电脱盐装 置的使用方法
技术领域
本发明涉及一种用于含硫铵炼化废水处理的装置的使用方法。
背景技术
环境问题与能源问题制约着人类社会的发展。由于我国工业的不断发展，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电化学装置。微生物脱盐燃料电池(MDC)在阳极室和阴极室之间添加阴离子交换膜与阳离子交换膜，在两极之间形成了脱盐室。在功能上，MDC实现了污染物降解，产电，脱盐的三种功效。但是目前的微生物脱盐燃料电池的脱盐率和石化废水中的硫铵的去除率较低，无法工业化。
发明内容
本发明是要解决目前的微生物脱盐燃料电池的脱盐率和石化废水中的污染物和硫铵的去除率较低，无法工业化的技术问题，而提供一种用于含硫铵炼化废水处理的连续流三段生物产电脱盐装置的使用方法。
本发明的一种用于含硫铵炼化废水处理的连续流三段生物产电脱盐装置由阳极室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、水泵8-1、水泵8-2、水泵8-3、曝气装置9、兼性室10和电阻11组成；脱盐室4设置在阳极室1和阴极室7之间，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，阴极室7内设置有阴极碳刷6，阴极室7的底部设置曝气装置9，阳极碳刷2与阴极碳刷6之间连接电阻11，阳极室1的底部设置有进水口，阳极室1顶部设置的出水口与兼性室10底部设置的进水口连通并在水管上设置水泵8-1，兼性室10顶部设置的出水口与阴极室7底部设置的进水口连通并在水管上设置水泵8-3，阴极室7顶部设置的出水口分别与脱盐室4底部设置的进水口和兼性室10底部设置的进水口连通并在水管上设置水泵8-2，脱盐室4顶部设置有出水口，兼性室10的顶部设置有出气口。
本发明的一种用于含硫铵炼化废水处理的连续流三段生物产电脱盐装置的使用方法如下：
一、培养阶段：关闭水泵8-1、8-2和8-3，在阳极碳刷2和阴极碳刷6上均接种具有炼化废水降解能力的活性污泥，在兼性室10中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中注满含硫铵炼化的废水，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静置24h，然后倒掉阳极室1、阴极室7和兼性室10中所有的污泥和废水；步骤一中所述的具有炼化废水降解能力的活性污泥的接种量分别为阳极室1、阴极室7和兼性室10各自容积的20～30％；
二、驯化阶段：向阳极室1中加入PBS缓冲液和葡萄糖，再向阳极室1中加入含硫铵炼化的废水至注满为止，得到混合液1，混液液1中的PBS缓冲液的浓度为20ppm，混液液1中的葡萄糖的浓度为50mg/L～500mg/L；向阴极室7中加入PBS缓冲液和葡萄糖，再向阴极室7中加入含硫铵炼化废水至注满为止，得到混合液2，混液液2中的PBS缓冲液的浓度为20ppm，混液液2中的葡萄糖的浓度为50mg/L～500mg/L；向兼性室10中加入含硫铵炼化废水至注满为止；检测电阻11两端的电压，当电阻11两端的电压下降至50mV时，将阳极室1、阴极室7和兼性室10中的所有液体倒掉；
三、连续运行：重复步骤二的操作10天～15天，阳极碳刷2上生成厌氧产电生物膜，阴极碳刷6上生成好氧产电生物膜，兼性室10内生成兼性厌氧活性污泥；
打开水泵8-1、8-2和8-3，启动曝气装置9，将含硫铵炼化废水作为待处理水进入阳极室1，阳极室1的水力停留时间1h～4h，兼性室10的水力停留时间1h～4h，阴极室7的水力停留时间1h～4h，脱盐室4的水力停留时间1h～4h，连续运行24h，即完成用于含硫铵炼化废水处理的连续流三段生物产电脱盐；阴极室7的出水的3/4进入脱盐室4，阴极室7的出水的1/4进入兼性室10。
本发明用于含硫铵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，含硫铵炼化废水经过阳极室-兼性室-阴极室-脱盐室依次处理，阳极室降解有机物，阴极室处理废水，脱盐室进行高效脱盐，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。
在本发明中，MDC用于降解含硫铵的石化废水。
本发明的特点在于将厌氧生物处理、兼性处理及好氧生物处理与MDC工艺相结合，并将其应用于含硫铵炼化废水的处理上，实现对有毒有害物质处理的同时，能够获得稳定的电能输出，同时可以实现对含盐污水脱盐的目的。
本发明在阳极室1中处于厌氧环境下，含硫铵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降解含硫铵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。
本发明的优点：
含硫铵炼化的废水通过本发明的厌氧阳极的生物反应池、兼性厌氧池、好氧生物阴极的处理后，出水COD在500mg/L～600mg/L，氨氮的含量为5mg/L～20mg/L，硫铵的含量降低到80mg/L～120mg/L，对含硫铵炼化废水的盐度去除率为70％～84％。
附图说明
图1为实施方式一中一种用于含硫铵炼化废水处理的连续流三段生物产电脱盐装置的示意图，1为阳极室，2为阳极碳刷，3为阴离子交换膜，4为脱盐室，5为阳离子交换膜，6为阴极碳刷，7为阴极室，8-1为水泵，8-2为水泵，8-3为水泵，9为曝气装置，10为兼性室，11为电阻；
图2为试验二的COD降解图，曲线1为通入阳极室1的作为待处理水的含硫铵炼化废水，曲线2为阳极室1的出水，曲线3为兼性室10的出水，曲线4为阴极室7的出水；
图3为试验二的极化曲线，曲线1为电压曲线，曲线2为功率密度曲线；
图4是本发明的反应原理图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1，本实施方式为一种用于含硫铵炼化废水处理的连续流三段生物产电脱盐装置：
本实施方式的一种用于含硫铵炼化废水处理的连续流三段生物产电脱盐装置由阳极室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、水泵8-1、水泵8-2、水泵8-3、曝气装置9、兼性室10和电阻11组成；脱盐室4设置在阳极室1和阴极室7之间，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，阴极室7内设置有阴极碳刷6，阴极室7的底部设置曝气装置9，阳极碳刷2与阴极碳刷6之间连接电阻11，阳极室1的底部设置有进水口，阳极室1顶部设置的出水口与兼性室10底部设置的进水口连通并在水管上设置水泵8-1，兼性室10顶部设置的出水口与阴极室7底部设置的进水口连通并在水管上设置水泵8-3，阴极室7顶部设置的出水口分别与脱盐室4底部设置的进水口和兼性室10底部设置的进水口连通并在水管上设置水泵8-2，脱盐室4顶部设置有出水口，兼性室10的顶部设置有出气口。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：所述的电阻11为500Ω～2000Ω。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式为一种用于含硫铵炼化废水处理的连续流三段生物产电脱盐装置的使用方法，具体如下：
一、培养阶段：关闭水泵8-1、8-2和8-3，在阳极碳刷2和阴极碳刷6上均接种具有炼化废水降解能力的活性污泥，在兼性室10中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中注满含硫铵炼化的废水，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静置24h，然后倒掉阳极室1、阴极室7和兼性室10中所有的污泥和废水；步骤一中所述的具有炼化废水降解能力的活性污泥的接种量分别为阳极室1、阴极室7和兼性室10各自容积的20～30％；
二、驯化阶段：向阳极室1中加入PBS缓冲液和葡萄糖，再向阳极室1中加入含硫铵炼化的废水至注满为止，得到混合液1，混液液1中的PBS缓冲液的浓度为20ppm，混液液1中的葡萄糖的浓度为50mg/L～500mg/L；向阴极室7中加入PBS缓冲液和葡萄糖，再向阴极室7中加入含硫铵炼化废水至注满为止，得到混合液2，混液液2中的PBS缓冲液的浓度为20ppm，混液液2中的葡萄糖的浓度为50mg/L～500mg/L；向兼性室10中加入含硫铵炼化废水至注满为止；检测电阻11两端的电压，当电阻11两端的电压下降至50mV时，将阳极室1、阴极室7和兼性室10中的所有液体倒掉；
三、连续运行：重复步骤二的操作10天～15天，阳极碳刷2上生成厌氧产电生物膜，阴极碳刷6上生成好氧产电生物膜，兼性室10内生成兼性厌氧活性污泥；
打开水泵8-1、8-2和8-3，启动曝气装置9，将含硫铵炼化废水作为待处理水进入阳极室1，阳极室1的水力停留时间1h～4h，兼性室10的水力停留时间1h～4h，阴极室7的水力停留时间1h～4h，脱盐室4的水力停留时间1h～4h，连续运行24h，即完成用于含硫铵炼化废水处理的连续流三段生物产电脱盐；阴极室7的出水的3/4进入脱盐室4，阴极室7的出水的1/4进入兼性室10。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三的不同点是：步骤一所述的具有炼化废水降解能力的活性污泥是来自城市生活污水处理厂二沉池的活性污泥。其他与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四的不同点是：步骤一所述的含硫铵炼化的废水的COD为2500mg/L～2600mg/L，氨氮的含量为400mg/L～500mg/L，硫铵的含量为400mg/L～500mg/L。其他与具体实施方式三或四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式三至五的不同点是：步骤二所述的含硫铵炼化的废水的COD为2500mg/L～2600mg/L，氨氮的含量为400mg/L～500mg/L，硫铵的含量为400mg/L～500mg/L。其他与具体实施方式三至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式三至六的不同点是：步骤二所述的电阻11为500Ω～2000Ω。其他与具体实施方式三至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式三至七的不同点是：步骤三所述的含硫铵炼化的废水的COD为2500mg/L～2600mg/L，氨氮的含量为400mg/L～500mg/L，硫铵的含量为400mg/L～500mg/L。其他与具体实施方式三至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式三至八的不同点是：步骤三所述的曝气装置9中曝气的溶解氧含量2mg/L～4mg/L。其他与具体实施方式三至八相同。
通过以下试验验证本发明的有益效果：
试验一：本试验为一种用于含硫铵炼化废水处理的连续流三段生物产电脱盐装置：
本试验的一种用于含硫铵炼化废水处理的连续流三段生物产电脱盐装置由阳极室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、水泵8-1、水泵8-2、水泵8-3、曝气装置9、兼性室10和电阻11组成；脱盐室4设置在阳极室1和阴极室7之间，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，阴极室7内设置有阴极碳刷6，阴极室7的底部设置曝气装置9，阳极碳刷2与阴极碳刷6之间连接电阻11，阳极室1的底部设置有进水口，阳极室1顶部设置的出水口与兼性室10底部设置的进水口连通并在水管上设置水泵8-1，兼性室10顶部设置的出水口与阴极室7底部设置的进水口连通并在水管上设置水泵8-3，阴极室7顶部设置的出水口分别与脱盐室4底部设置的进水口和兼性室10底部设置的进水口连通并在水管上设置水泵8-2，脱盐室4顶部设置有出水口，兼性室10的顶部设置有出气口。
所述的电阻11为2000Ω。
试验二：本试验为试验一的一种用于含硫铵炼化废水处理的连续流三段生物产电脱盐装置的使用方法，具体如下：
一、培养阶段：关闭水泵8-1、8-2和8-3，在阳极碳刷2和阴极碳刷6上均接种具有炼化废水降解能力的活性污泥，在兼性室10中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中注满含硫铵炼化的废水，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静置24h，然后倒掉阳极室1、阴极室7和兼性室10中所有的污泥和废水；步骤一中所述的具有炼化废水降解能力的活性污泥的接种量分别为阳极室1、阴极室7和兼性室10各自容积的20～30％；
二、驯化阶段：向阳极室1中加入PBS缓冲液和葡萄糖，再向阳极室1中加入含硫铵炼化的废水至注满为止，得到混合液1，混液液1中的PBS缓冲液的浓度为20ppm，混液液1中的葡萄糖的浓度为50mg/L～500mg/L；向阴极室7中加入PBS缓冲液和葡萄糖，再向阴极室7中加入含硫铵炼化废水至注满为止，得到混合液2，混液液2中的PBS缓冲液的浓度为20ppm，混液液2中的葡萄糖的浓度为50mg/L～500mg/L；向兼性室10中加入含硫铵炼化废水至注满为止；检测电阻11两端的电压，当电阻11两端的电压下降至50mV时，将阳极室1、阴极室7和兼性室10中的所有液体倒掉；
三、连续运行：重复步骤二的操作10天～15天，阳极碳刷2上生成厌氧产电生物膜，阴极碳刷6上生成好氧产电生物膜，兼性室10内生成兼性厌氧活性污泥；
打开水泵8-1、8-2和8-3，启动曝气装置9，将含硫铵炼化废水作为待处理水进入阳极室1，阳极室1的水力停留时间1h～4h，兼性室10的水力停留时间1h～4h，阴极室7的水力停留时间1h～4h，脱盐室4的水力停留时间1h～4h，连续运行24h，即完成用于含硫铵炼化废水处理的连续流三段生物产电脱盐；阴极室7的出水的3/4进入脱盐室4，阴极室7的出水的1/4进入兼性室10。
步骤一所述的具有炼化废水降解能力的活性污泥是来自城市生活污水处理厂二沉池的活性污泥；步骤一所述的含硫铵炼化的废水的COD为1400mg/L，氨氮的含量为500mg/L，硫铵的含量为500mg/L；步骤二所述的含硫铵炼化的废水的COD为1400mg/L，氨氮的含量为500mg/L，硫铵的含量为500mg/L；步骤二所述的电阻11为2000Ω；步骤三所述的含硫铵炼化的废水的COD为1400mg/L，氨氮的含量为500mg/L，硫铵的含量为500mg/L；步骤三所述的曝气装置9中曝气的溶解氧含量3mg/L。
含硫铵炼化的废水通过本发明的厌氧阳极的生物反应池、兼性厌氧池、好氧生物阴极的处理后，出水COD在500mg/L，氨氮的含量为5mg/L，硫铵的含量降低到80mg/L，对含硫铵炼化废水的盐度去除率为84％。
图2为试验二的COD降解图，曲线1为通入阳极室1的作为待处理水的含硫铵炼化废水，曲线2为阳极室1的出水，曲线3为兼性室10的出水，曲线4为阴极室7的出水，从图中可以看出废水在本装置中的COD随着工艺的进程逐步下降。
图3为试验二的极化曲线，曲线1为电压曲线，曲线2为功率密度曲线，从图中可以看出整个产电脱盐装置电池功率性能好。

Claims (6)

1.一种用于含硫铵炼化废水处理的连续流三段生物产电脱盐装置的使用方法，其特征在于用于含硫铵炼化废水处理的连续流三段生物产电脱盐装置的使用方法如下：
一、培养阶段：关闭第一水泵(8-1)、第二水泵(8-2)和第三水泵(8-3)，在阳极碳刷(2)和阴极碳刷(6)上均接种具有炼化废水降解能力的活性污泥，在兼性室(10)中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)中注满含硫铵炼化废水，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)静置24h，然后倒掉阳极室(1)、阴极室(7)和兼性室(10)中所有的污泥和废水；步骤一中所述的具有炼化废水降解能力的活性污泥的接种量分别为阳极室(1)、阴极室(7)和兼性室(10)各自容积的20～30％；
二、驯化阶段：向阳极室(1)中加入PBS缓冲液和葡萄糖，再向阳极室(1)中加入含硫铵炼化废水至注满为止，得到混合液1，混合液1中的PBS缓冲液的浓度为20ppm，混合液1中的葡萄糖的浓度为50mg/L～500mg/L；向阴极室(7)中加入PBS缓冲液和葡萄糖，再向阴极室(7)中加入含硫铵炼化废水至注满为止，得到混合液2，混合液2中的PBS缓冲液的浓度为20ppm，混合液2中的葡萄糖的浓度为50mg/L～500mg/L；向兼性室(10)中加入含硫铵炼化废水至注满为止；检测电阻(11)两端的电压，当电阻(11)两端的电压下降至50mV时，将阳极室(1)、阴极室(7)和兼性室(10)中的所有液体倒掉；
三、连续运行：重复步骤二的操作10天～15天，阳极碳刷(2)上生成厌氧产电生物膜，阴极碳刷(6)上生成好氧产电生物膜，兼性室(10)内生成兼性厌氧活性污泥；
打开第一水泵(8-1)、第二水泵(8-2)和第三水泵(8-3)，启动曝气装置(9)，将含硫铵炼化废水作为待处理水进入阳极室(1)，阳极室(1)的水力停留时间1h～4h，兼性室(10)的水力停留时间1h～4h，阴极室(7)的水力停留时间1h～4h，脱盐室(4)的水力停留时间1h～4h，连续运行24h，即完成用于含硫铵炼化废水处理的连续流三段生物产电脱盐；阴极室(7)的出水的3/4进入脱盐室(4)，阴极室(7)的出水的1/4进入兼性室(10)；
所述的用于含硫铵炼化废水处理的连续流三段生物产电脱盐装置由阳极室(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)、第一水泵(8-1)、第二水泵(8-2)、第三水泵(8-3)、曝气装置(9)、兼性室(10)和电阻(11)组成；
脱盐室(4)设置在阳极室(1)和阴极室(7)之间，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)，阴极室(7)内设置有阴极碳刷(6)，阴极室(7)的底部设置曝气装置(9)，阳极碳刷(2)与阴极碳刷(6)之间连接电阻(11)，阳极室(1)的底部设置有进水口，阳极室(1)顶部设置的出水口与兼性室(10)底部设置的进水口连通并在水管上设置第一水泵(8-1)，兼性室(10)顶部设置的出水口与阴极室(7)底部设置的进水口连通并在水管上设置第三水泵(8-3)，阴极室(7)顶部设置的出水口分别与脱盐室(4)底部设置的进水口和兼性室(10)底部设置的进水口连通并在水管上设置第二水泵(8-2)，脱盐室(4)顶部设置有出水口，兼性室(10)的顶部设置有出气口；所述的电阻(11)为500Ω～2000Ω。
2.根据权利要求1所述的一种用于含硫铵炼化废水处理的连续流三段生物产电脱盐装置的使用方法，其特征在于步骤一所述的具有炼化废水降解能力的活性污泥是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所述的一种用于含硫铵炼化废水处理的连续流三段生物产电脱盐装置的使用方法，其特征在于步骤一所述的含硫铵炼化废水的COD为2500mg/L～2600mg/L，氨氮的含量为400mg/L～500mg/L，硫铵的含量为400mg/L～500mg/L。
4.根据权利要求1所述的一种用于含硫铵炼化废水处理的连续流三段生物产电脱盐装置的使用方法，其特征在于步骤二所述的含硫铵炼化废水的COD为2500mg/L～2600mg/L，氨氮的含量为400mg/L～500mg/L，硫铵的含量为400mg/L～500mg/L。
5.根据权利要求1所述的一种用于含硫铵炼化废水处理的连续流三段生物产电脱盐装置的使用方法，其特征在于步骤三所述的含硫铵炼化废水的COD为2500mg/L～2600mg/L，氨氮的含量为400mg/L～500mg/L，硫铵的含量为400mg/L～500mg/L。
6.根据权利要求1所述的一种用于含硫铵炼化废水处理的连续流三段生物产电脱盐装置的使用方法，其特征在于步骤三所述的曝气装置(9)中曝气的溶解氧含量2mg/L～4mg/L。
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