CN108569757B - 一种利用电化学装置处理磺胺类废水并同步制氢的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种通过电化学方法处理磺胺类废水并同步制氢的方法，本发明涉及环境、抗生素、能源及电化学领域。具体涉及MFC和MEC的启动、转化及驯化过程和MEC处理磺胺甲恶唑。本方法利用MEC处理磺胺甲恶唑并同步产氢，按照以下步骤进行：一、制作MFC阴阳极并添加培养液完成MFC启动，二、将MFC阴极用有机玻璃盖密封，完成MFC朝MEC的转化，三、向MEC中添加磺胺甲恶唑进行驯化，并加入溴乙烷磺酸钠作为产甲烷抑制剂，计算磺胺甲恶唑降解率及MEC产氢效率。处理过程简单，条件温和，且无其他污染物产生，环境友好，具有良好的应用潜力。

Description

一种利用电化学装置处理磺胺类废水并同步制氢的方法
技术领域
本发明涉及环境、抗生素、能源及电化学领域。具体说是一种利用微生物电解池技术处理磺胺类废水并同步制氢的方法。
背景技术
自1970年以来，环境中相继检测到抗生素的存在，引起科研人员的极大关注。中国作为抗生素生产量和使用量都很巨大的国家，年使用量为210千吨，人均抗生素消费量为138g。磺胺类抗生素因其广谱抗菌性、毒副作用低和价格低廉等特点，被广泛应用到临床、畜牧业和水产行业中。以磺胺甲恶唑为例：目前已检测到其在地表水和地下水的浓度为0.32-0.4μg/L和0.01-1.5μg/L，被检测到的频率为73％，污水处理厂的出水浓度也在70-500ng/L。磺胺类药物在环境中长期存在会诱导自然环境中出现耐药菌，可能会产生急性和慢性毒性效应，引起人类过敏，衍生出严重的生态安全问题。
目前处理磺胺甲恶唑废水的方法主要有以下几种：吸附法、芬顿法、臭氧氧化法、生物降解法等。王哲等采用碳纳米管吸附法研究对磺胺甲恶唑的去除，100min中即达到吸附饱和，随后吸附结果下降，解析液也很难处理，且吸附只是污染物的转移过程，污染物实质上并没有被分解消除，对后续抗性基因去除并没有明显效果。芬顿法由于反应物运输和腐蚀性强的限制，实际应用中存在成本高、难控制和腐蚀性强的特点。臭氧氧化法由于臭氧发生器耗电量大、成本高的缺点不利用推广应用。
微生物电解池(Microbialelectrolysiscells，MECs)是基于微生物燃料电池(Microbial fuelcells，MFCs)发展起来的，MEC以阳极表面微生物作为催化剂，利用有机质为燃料产生氢气并加以回收。
发明内容
本发明的目的是解决磺胺类抗生素废水的环境友好且处理高效的问题，提供一种利用电化学装置处理磺胺类废水并同步制氢的方法。
本发明的技术方案：
一种利用电化学装置处理磺胺类废水并同步制氢的方法，具体步骤如下：
步骤1、微生物电解池(MEC)阴极的制作：基体材料为碳布，与空气接触一侧涂有四层PTFE，其作用主要为防水并保证适当的氧气扩散到MEC室内。
步骤2、阳极材料为碳布，经丙酮浸泡2-48h后用去离子水冲洗，烘干，此过程可增强微生物在阳极表面的富集。
步骤3、MEC反应器构型：为单室型，阳极为步骤2处理的碳布，阴极为步骤1制作的Pt/C空气阴极，两端同时用有机玻璃盖盖好形成密封状态，在阴极附近安装气体收集袋，外电路中用钛丝作为导线，且外接10-1000Ω电阻，与数据采集装置进行连接，外加0.4-0.8V稳压电源，每隔15-30min自动记录电压值，数据最小可精确到0.001V。
步骤4、MEC启动驯化：培养液主要成分为：钠盐37.78g/L，磷酸一氢盐15.47g/L，磷酸二氢盐5.84g/L，钾盐0.13g/L，氨盐0.31g/L，氯化盐浓度为0.44g/L，乙酸盐1g/L，启动过程每隔12h更换培养液，直至输出电压在400-600毫伏且能稳定保持24-48h即为启动成功。再以2、4、8、16、20、32mg/L的磺胺甲恶唑浓度梯度进行驯化，每个梯度两个周期即48h，并在驯化完成后加入60mg/L的产甲烷抑制剂，抑制产甲烷菌的代谢。
步骤5将含有磺胺甲恶唑的污水处理厂曝气池厌氧废水与培养液按照1:1的比例混合放入MEC中，在上述利用废水中有机物磺胺甲恶唑产氢的同时，在阳极富集的微生物还起到对废水中磺胺甲恶唑的催化降解作用。
本发明的优点是：
无需复杂条件，既能实现磺胺甲恶唑的降解，产物只有氢气，无其他污染成分产生。
本发明的结果是，48h后磺胺甲恶唑的降解率达到了75％-85％，同时氢气产量也达到301.1±4μmol。
附图说明
图1为生物电化学装置安装结构示意图。
图中，1-外电阻，2-电源，3-气体收集袋，4-阳极微生物，5-阳极，6-阴极。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明的具体实施方式作进一步说明。
实施例1：
步骤1：组装3个单室MEC，大小为长4cm，横断面直径为3cm的有机玻璃柱，其有效体积为28ml，阳极为直径为3cm的圆形碳布，阴极为同样大小的Pt/C空气阴极(涂刷法)，外电路中用铜丝将两极连接在一起并外接1500Ω电阻。以产电模式启动3个反应器，将污水处理厂曝气池厌氧废水与培养液1:1的比例混合放入MEC中，其中培养液组成为：钠盐37.78g/L，磷酸一氢盐15.47g/L，磷酸二氢盐5.84g/L，钾盐0.13g/L，氨盐0.31g/L，氯化盐浓度为0.44g/L，乙酸盐1g/L，在30℃恒温箱中运行，实时监测两端电压变化，当电压小于100mV时更换培养液，当输出电压为400mV以上且能稳定保持30h则表示阳极表面生物膜形成，启动成功。
步骤2：将培养好的MEC阴极盖拆下采用密封盖将阴极封好，以2、4、8、16、20、32mg/L的磺胺甲恶唑浓度梯度进行驯化，每个梯度两个周期(即48h)。
步骤3：当32mg/L的磺胺甲恶唑驯化完成后更换新的反应液，同时加入60mg/L的产甲烷抑制剂，抑制产甲烷菌的代谢。48h取样检测，计算磺胺甲恶唑的降解率和氢气产量。
本发明的结果是，48h后磺胺甲恶唑的降解率达到了75％-85％，同时氢气产量也达到301.1±4μmol。
实施例2：
本实施方式与实施例1不同的是：选用葡萄糖代替乙酸钠为微生物的启动阶段提供营养，其他步骤及参数与实施例1相同。
本发明的结果是，48h后磺胺甲恶唑的降解率达到80％左右，同时氢气产量也达到301.1±4μmol。
实施例3：
本实施方式与实施例1不同的是：选用辊压法制作Pt/C空气阴极，其他步骤及参数与实施例1相同。
本发明的结果是，48h后磺胺甲恶唑的降解率达到了85％以上，同时氢气产量也达到320.5±4μmol。

Claims (1)

1.一种利用电化学装置处理磺胺类废水并同步制氢的方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1、微生物电解池(MEC)阴极的制作：基体材料为碳布，与空气接触一侧涂有四层PTFE，其作用主要为防水并保证适当的氧气扩散到MEC室内；
步骤2、阳极材料为碳布，经丙酮浸泡2-48h后用去离子水冲洗，烘干，此过程可增强微生物在阳极表面的富集；
步骤3、MEC反应器构型：为单室型，阳极为碳布，阴极为Pt/C空气阴极，两端同时用有机玻璃盖盖好形成密封状态，在阴极附近安装气体收集袋，外电路中用钛丝作为导线，且外接10-1000Ω电阻，与数据采集装置进行连接，外加0.4-0.8V稳压电源，每隔15-30min自动记录电压值，数据最小可精确到0.001V；
步骤4、MEC启动驯化：培养液成分为：钠盐37.78g/L，磷酸一氢盐15.47g/L，磷酸二氢盐5.84g/L，钾盐0.13g/L，氨盐0.31g/L，氯化盐浓度为0.44g/L，乙酸盐1g/L，启动过程每隔12h更换培养液，直至输出电压在400-600毫伏且能稳定保持24-48h即为启动成功；再以2、4、8、16、20、32mg/L的磺胺甲恶唑浓度梯度进行驯化，每个梯度两个周期即48h，并在驯化完成后加入60mg/L的产甲烷抑制剂，抑制产甲烷菌的代谢；
步骤5、将含有磺胺甲恶唑的污水处理厂曝气池废水与培养液按照1:1的比例混合放入MEC中，在上述利用废水中有机物磺胺甲恶唑产氢的同时，在阳极富集的微生物还起到对废水中磺胺甲恶唑的催化降解作用。
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