CN107364974B - 一种预测生化处理工艺水力停留时间的生物电化学方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种预测生化处理工艺水力停留时间的生物电化学方法，主要针对进水水质波动导致生化处理工艺水力停留时间不合理的问题。本方法通过构建本土微生物燃料电池(IDMFC)，建立生化处理工艺综合降解速率与IDMFC平台期稳定降解速率的关系模型，通过检测进水水样一个产电周期的平台期电流和时长，即可预测合理的生化处理工艺中水力停留时间。
Description
技术背景
改革开放以来，我国工业化和城市化都得到了快速的发展，人民生活水平有了极大的改善，但作为工业化和城市化的副产物，工业废水和城市污水的排量也急剧上升，对水体的污染也日趋广泛和严重。因此，对于环境保护来说，废水处理尤为重要。根据2015年环境公报显示，我国工业废水排放量最高的三个行业为化工、造纸和电力，这些行业废水中一个突出特点是其污染物大部分为有机物，工业废水的处理方法包括物理、化学、理化和生物法，其中生物法是去除有机物最经济有效的方法，而不同企业根据自身排放废水特点，可以选用稳定塘、氧化沟、活性污泥、UASB、厌氧接触等好氧厌氧生化处理技术。城市污水处理一般分为两级处理，其中处理主体是二级处理时利用微生物将污水中各种复杂的有机物氧化为简单的物质。因此，生物法是工业废水和城市污水处理最常用也是最重要的技术。
污水处理属于高耗能产业，其中消耗的能源包括电、燃料及药剂等，其中电能占总能耗的60％～90％，其主要用于曝气池供氧设备和进水泵，据统计，两者能耗占总电耗的70％以上，近年来，能源资源费用不断上涨，能耗大、运行费用高已经成为阻碍企业废水处理和城市污水处理厂运转的巨大阻碍，因此，合理优化曝气流量和进水速率，成为降低污水处理成本的必然选择。已有大量关于曝气流量智能控制的研究并已取得一定成效，如上海桃浦城市污水处理厂采用曝气流量控制后，能耗降低34％，但是关于进水速率优化的研究并不多，特别是还没有快速有效预测合理的水力停留时间的方法，因此，研究一种可以有效预测合理的生化处理工艺水力停留时间的方法具有重要意义。
合理的水力停留时间与进水水质有着极大关系。工业废水因其来源于生产过程中产生的废水和废液，在一个生产周期内会有一定波动，因此其水质具有一定的周期性，比如某发酵类制药企业，其出水CODcr一个月内最高为6010mg/L，最低只有3519mg/L。城市污水处理亦是如此，其排放量与季节有显著相关性，以某污水处理厂为例，每年3、4月份进水CODcr浓度高达700mg/L，而在夏季8、9月份只有350mg/L。现有生化处理过程的水力停留时间是基本固定的，虽然保证了出水可以满足环境保护管理部门的要求，但是却造成了处理成本的增大，因此，针对进水水质波动，合理调整水力停留时间，使其在满足环境保护部分出水要求的同时还能最大限度增加处理水量，合理利用资源，节约企业和社会成本具有重要意义。本发明利用生物电化学系统的方法，通过构建本土微生物燃料电池(IDMFC)，建立生化处理工艺综合降解速率与IDMFC平台期稳定降解速率的关系模型，通过检测进水水样一个产电周期的平台期电流和时长，即可预测合理的生化处理工艺中水力停留时间，具体发明内容如下：
发明内容
1.一种预测生化处理工艺水力停留时间的生物电化学方法，其特征在于，构建本土微生物燃料电池(IDMFC)，建立生化处理工艺综合降解速率与IDMFC平台期稳定降解速率的关系模型，检测进水水样一个产电周期的平台期电流和时长，计算预测合理的生化处理工艺水力停留时间。
2.如权利要求1所述方法，具体步骤如下：
(1)IDMFC的构建和启动
构建双室有膜微生物燃料电池，以生化处理工艺出水作为阳极接种源，将生化处理工艺进水、出水和新鲜浓缩基液按体积比3：6：1混合配制阳极液；
(2)生化处理工艺与IDMFC降解速率比的计算
按《水环境监测规范》SL219-98要求的方法对企业生化处理工艺进水和出水采样和保存，采样频率为不小于每个生产周期的三次，按公式Ⅰ计算企业生化处理工艺与本土微生物燃料电池降解速率比Vn，其中n为第n次采样，hrt为生化处理工艺的水力停留时间，BOD1n为第n次采集生化处理工艺进水样品的生化需氧量(BOD)，单位为mg/L，BOD2n为相同方法采样和测定经过一个水力停留时间hrt生化处理后出水的BOD，单位为mg/L，BOD的测定方法为国标HJ 505-2009，i1n(t)为进水样品与浓缩基液按体积比9：1混合后作为IDMFC阳极液运行一个产电周期t时刻的电流，单位为mA，T1n为整个周期的时长，单位为小时，i2n(t)为出水样品配置阳极液运行IDMFC一个周期的电流，单位为mA，T2n为整个周期时长，单位为小时，每个产电周期计算方法为开始于电流上升期时I升至0.02mA，结束于衰落期时I降至0.02mA；
(3)生化处理工艺合理水力停留时间的预测
按《水环境监测规范》SL219-98要求的方法对经过预处理后生化处理工艺前的水体采样，根据公式Ⅱ计算企业合理水力停留时间h，其中Vmin为步骤(2)所得Vn中的最小值，it为水样与浓缩基液按体积比9：1混合后作为IDMFC阳极液运行一个周期t时刻的电流，单位为mA，t1进入平台期时刻，t2为平台期结束时刻。
3.如权利要求书2所示步骤(1)中，阴阳极间连接外电阻，优选外电阻为1KΩ。
4.如权利要求书2所示步骤(1)中，浓缩基液成分为：
每升水中，包含NH4Cl 3.1g；KCl 1.3g/L；NaHPO4·2H2O 56.182g/L；Na2HPO4·12H2O 61.5g/L；NaHCO3 10g；MgSO4·7H2O 5.6g；CaCl2 0.15g；FeCl3·6H2O 0.01g；MnSO4·H2O 0.2g。
附图说明
图1为本发明基于生物电化学的方法，对生化处理工艺水力停留时间预测的流程图，其中①IDMFC启动完成的判别条件为采用相同阳极液时下一个周期平台期电压与上一周期平台期电压差值不超过5％，②公式1为
③公式2为
图2为本发明实施例1中生物处理单元处理工艺流程图；
图3为本发明实施例1中本土双室微生物燃料电池(IDMFC)实物图；
图4为本发明实施例1中IDMFC稳定运行3个周期电压曲线；
图5为本发明实施例1中不同外电阻下IDMFC一个周期电压曲线；
图6为本发明实施例1中一个生产周期内6次采样生化处理工艺进水和出水BOD；
图7为本发明实施例1中6次采样和测定后所得V1～V6的柱状图；
图8为本发明实施例1中预测水力停留时间(h)和进出水BOD。
具体实施方式
实施例1
华北某中型啤酒厂，年产啤酒12万吨，其废水包括糖化废水、发酵废水、包装废水和生活废水，其中糖化废水和包装废水属于高浓度有机废水，BOD5较高，最高可达2000mg/L以上，产生量约占总排水量的68％，包装废水属于低浓度有机废水，BOD5约为400mg/L，约占总排水量的35％，生活废水排量较低，约占总排水量1％，BOD5约为200mg/L。处理方式为典型的两级生物接触氧化法，生物处理单元主要包括两座接触氧化池，水力停留时间为14.6h，出水BOD5小于20mg/L。其生化处理单元流程图如图2所示。
为了优化合理的水力停留时间，首先构建本土微生物燃料电池(IDMFC)，如图3所示，阳极材料采用碳布(HCP330，上海河森)，碳布尺寸为3cm×10cm，碳布在使用前先经高温氨化处理；阴极为2cm×2cm载铂碳纸，载铂量为0.5mg/cm2；隔膜材料为PEM(Nafion-117,DuPont)。IDMFC两极室构型相同，有效容积均为15ml，阴、阳极室通过PEM隔开，外接电阻500Ω。以好氧工艺段出水为接种源，与生化处理前进水、浓缩基液按体积比6：3：1混合后曝氮气5min，氮气流速为600mL/min，除氧后接种阳极，阴极充满阴极液，浓缩基液、阴极液配方分别如表1、2所示，并持续通入空气，启动阶段采用序批式方式运行，每7天更换一次阳极液，电池运行5个周期达到稳定，稳定后产电3个周期如图4所示。
表1浓缩基液配方
表2阴极液配方
图4显示IDMFC其平台期出现较大下降的趋势，这说明当外电阻为500ΩIDMFC平台期时降解速率并不稳定，采用改变外电阻的方式进行优化，优化结果如图5，结果表明1000Ω外电阻情况下，平台期电压稳定，因此，1000Ω是优选外电阻。
按《水环境监测规范》SL219-98要求的方法对企业生化处理工艺进水采样和保存，采样频率为6次，每个样品分为两份，一份采用国标HJ 505-2009的方法测定生化需氧量(BOD5)，计为BOD1n，采用相同的方法采集和测定经过一个水力停留时间生化处理后的出水的BOD5，计为BOD2n，其中n为第n次采样，图6为6次采样进出水BOD5，另一份样品与浓缩基液混合后作为IDMFC阳极液，检测一个产电周期内电流I，电流采集频率为1Hz，设采用生化处理工艺进水配置阳极液运行IDMFC时电流为i1n，整个周期时长为T1n，采用出水配置阳极液运行IDMFC时电流为i2n，整个周期时长为T2n，每个产电周期开始于电流上升期时I升至0.02mA，结束于衰落期时I降至0.02mA，按公式1计算企业生化处理工艺与本土微生物燃料电池降解速率比Vn，图7为6次采样和测定后所得V1～V6的柱状图。
对生化处理工艺进水进行3次采样，与浓缩基液按体积比9：1混合后作为IDMFC阳极液，运行一个周期，根据公式(2)计算合理水力停留时间h，其中t1为进入平台期时间，t2为结束时间，it整个周期内t时刻的电流，Vmin＝1.898139037，计算结果分别为12.4h、11.6h、12.1h，均小于原先水力停留时间14.6h，出水结果如图8，对经过一个水力停留时间生化处理后的出水测定BOD5显示均小于20mg/L，表明该方法计算所得的生化处理工艺水里停留时间是合理准确的。
Claims (4)
1.一种预测生化处理工艺水力停留时间的生物电化学方法，其特征在于，构建本土微生物燃料电池(IDMFC)，建立生化处理工艺综合降解速率与IDMFC平台期稳定降解速率的关系模型，检测进水水样一个产电周期的平台期电流和时长，计算预测合理的生化处理工艺水力停留时间；具体步骤如下：
(1)IDMFC的构建和启动
构建双室有膜微生物燃料电池，以生化处理工艺出水作为阳极接种源，将生化处理工艺进水、出水和新鲜浓缩基液按体积比3：6：1混合配制阳极液；
(2)生化处理工艺与IDMFC降解速率比的计算
按《水环境监测规范》SL219-98要求的方法对企业生化处理工艺进水和出水采样和保存，采样频率为不小于每个生产周期的三次，按公式Ⅰ计算企业生化处理工艺与本土微生物燃料电池降解速率比Vn，其中n为第n次采样，hrt为生化处理工艺的水力停留时间，BOD1n为第n次采集生化处理工艺进水样品的生化需氧量(BOD)，单位为mg/L，BOD2n为相同的方法采样和测定经过一个水力停留时间hrt生化处理后出水的BOD，单位为mg/L，BOD的测定方法为国标HJ 505-2009，i1n(t)为进水样品与浓缩基液按体积比9：1混合后作为IDMFC阳极液运行一个产电周期t时刻的电流，单位为mA，T1n为整个周期的时长，单位为小时，i2n(t)为出水样品配置阳极液运行IDMFC一个周期的电流，单位为mA，T2n为整个周期时长，单位为小时，每个产电周期计算方法为开始于电流上升期时I升至0.02mA，结束于衰落期时I降至0.02mA；
(3)生化处理工艺合理水力停留时间的预测
按《水环境监测规范》SL219-98要求的方法对经过预处理后生化处理工艺前的水体采样，根据公式Ⅱ计算企业合理水力停留时间h，其中min(Vn)为步骤(2)所得Vn中的最小值，it为水样与浓缩基液按体积比9：1混合后作为IDMFC阳极液运行一个周期t时刻的电流，单位为mA，t1为进入平台期时刻，t2为平台期结束时刻，所述平台期的特征为每隔2s连续测量的电流中q时刻电流与此后1min时间内电流偏差均≤5％；
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，阴阳极间连接外电阻。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述外电阻为1KΩ。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，浓缩基液成分为：每升水中，包含NH4Cl 3.1g；KCl 1.3g/L；NaHPO4·2H2O 56.182g/L；Na2HPO4·12H2O 61.5g/L；NaHCO310g；MgSO4·7H2O 5.6g；CaCl2 0.15g；FeCl3·6H2O 0.01g；MnSO4·H2O 0.2g。
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- 2016-09-29 CN CN201610864182.6A patent/CN107364974B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (6)
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|---|
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Also Published As
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