CN109085161A - 利用微生物燃料电池对废水厌氧生物降解度快速判断的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用微生物燃料电池对废水厌氧生物降解度快速判断的方法，包括以下步骤：采取方形双室反应器，反应器阳极槽内加入待测废水、经驯化后的厌氧污泥和阳极电极，调节pH至7～9并持续曝入氮气至少5min，封盖保持厌氧状态；负极槽内加入酸性高锰酸钾溶液和负极电极；外部电路连接含染料废水电解设备及配套比色卡。该装置持续反应至少48h后，含染料废水电解设备中液体颜色与比色卡比对，匹配颜色的对应数值越高则废水厌氧生物降解度越好。本方法操作简便，具有耗时短且有较好的普适度的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用微生物降解废水能力的测试方法，特别是涉及一种废水体系在厌氧条件下降解能力的测试方法，应用于环境工程水处理技术应用领域。
背景技术
厌氧处理可行性是指废水体系在厌氧条件下，厌氧微生物对水体中有机物的降解能力大小。目前对于废水可生物处理性能常使用BOD5/COD进行判断，但由于BOD5测量过程中使用的是好氧环境及其菌种，所以BOD5/COD对废水在厌氧环境下被降解能力的描述有一定偏差，需要开发新的针对厌氧生物处理的判断方法。微生物燃料电池MFC能够利用产电微生物将有机物进行降解并同时产生电子，通过电极材料使电子在外部电路中形成电流，MFC产生的电能可电解去除偶氮染料废水中显色物质使其褪色。至今未见文献报导利用MFC和电解联用对废水的厌氧生物降解度进行判断。
MFC技术的发展可追溯到1911年，但输出功率较小，直到上个世纪80年代学者发现加入例如绿脓菌素化合物等电子介体可大幅度提高MFC的产电效率，MFC得到了真正的推广。目前已有多项有关微生物燃料电池的文献报导，常用的MFC装置主要有H形反应器和方形反应器等双室反应器，其特点为双室联通但以质子交换膜或离子交换膜作为分隔。《环境科学学报》2006,26(8):1252-1257与中国给水排水2007,23(4),1-6中曹效鑫、梁鹏和黄霞等研究得到阳极、质子交换膜、阴极“三合一”MFC。专利CN102593469A涉及一种加速MFC阴极偶氮染料废水还原脱色的方法，利用对电极进行表面改性提高产电效率，其最大输出电压可达275±18mV。《Water Research》2008,15(42):4172-4178中Yanzhen Fan和HongqiangHu等设计的缺磷离子交换膜的单室空气阴极MFC运行简便，且连续流模式下产电效率最高可达1010W/m3，哈尔滨工业大学的尤世界设计的酸性高锰酸钾阴极MFC的开路电压高达1.48V，最大功率密度远高于铁氰化钾阴极和空气阴极。
对于染料的电解脱色也有较多文献记载。《科技论文与案例交流》2016,10:54-59中王向宁通过对偶氮染料废水电解条件的优化得出：酸性橙II浓度20mg/L，溶液体积为50mL，最佳条件电流密度45～60mA/cm2，电极极板间距为30mm，电解质浓度范围0.05～0.1mol/L，3h内酸性橙II的去除率达到87.01％。《工业水处理》2016,7(36):52-55班福忱和孙晓昕等对于电解电压对染料废水的去除的结果显示，染料废水的脱色速率与电压成正比，5V电压运行1h后模拟染料废水脱色效率大于30％，且反应趋势并未停止。
厌氧处理、MFC技术和染料的电解脱色虽然都涉及生化工艺，但目前还没有将三者联系起来的技术应用于废水处理检测的相关文献报道。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种利用微生物燃料电池对废水厌氧生物降解度快速判断的方法，利用待测废水，在厌氧产电微生物处理情况下，通过微生物燃料电池产电，对含染料废水进行电解，根据含染料废水褪色程度，判断待测废水的厌氧生物降解度。本发明方法操作简便，与常规厌氧处理可行性判断方法相比，具有耗时短且有较好的普适度。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种利用微生物燃料电池对废水厌氧生物降解度快速判断的方法，采取双室反应器，包括阳极槽和阴极槽，双室反应器为总容量为不低于2L的方形容器，在反应器的阳极槽内加入待测废水、经驯化后的厌氧污泥和安装阳极电极，调节待测废水的pH至7～9，并持续曝入氮气至少5min，对阳极槽进行封盖保持厌氧状态；在阴极槽内加入酸性高锰酸钾溶液和安装阴极电极；从而形成微生物燃料电池装置；阳极电极和阴极电极的外部电路连接含染料废水电解设备的铂电极板，在含染料废水电解设备中加入含染料废水并安装所述铂电极板，还配套比色卡，所述比色卡上的颜色对应阳极槽内的待测废水的厌氧生物降解度数值，从而形成比色传感器装置；使微生物燃料电池装置和比色传感器装置联用的该装置中持续反应至少48h后，将含染料废水电解设备中液体颜色与比色卡比对，匹配颜色，从而得出对应待测废水的厌氧生物降解度数值。
上述双室反应器中优选采用Nafion质子交换膜作为双室隔断。
在上述反应器的阳极槽内，优选投加的厌氧污泥与待测废水的体积比为1:(4～5)。
上述阳极电极和阴极电极的材料分别优选采用碳毡、碳棒和碳布中的至少一种碳基材料。
优选上述阴极槽内高锰酸钾溶液浓度为不低于20mg/L，优选酸性高锰酸钾溶液的pH不高于3.5。
作为本发明优选的技术方案，所述含染料废水电解设备为容积不高于50mL的长方体反应器，其内含两片平行铂电极，两铂电极板间距不低于5mm，并对应连接入生物燃料电池的阳极电极和阴极电极，含染料废水电解设备的反应器中的含染料废水采用浓度不低于25mg/L的酸性橙II溶液作为填充液。优选上述比色卡为酸性橙II溶液浓度相应为浓度分别为25、20、15、10、5、0mg/L时的溶液颜色，对应标序数值为0、1、2、3、4、5。微生物燃料电池装置的外部电路连接含染料废水电解设备的铂电极板，并配套比色卡。该装置持续反应至少48h后，含染料废水电解设6中液体颜色与比色卡比对，匹配颜色的对应数值越高则废水厌氧生物降解度越高。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明利用微生物燃料电池阳极槽内投加待测废水、经驯化后的厌氧污泥，阴极槽内注入酸性高锰酸钾溶液，外部电路连接含染料废水电解装置，对比运行前后含染料废水的颜色变化，藉此判断废水的厌氧生物降解度，方便快捷，准确高效；
2.本发明可较好的测试和评价特定厌氧环境下的可生化性能，判断周期短，操作简便且有较好的普适度；
3.本发明方法能利用微生物燃料电池，结合含染料废水电解设备，通过间接测量，测量过程耗时短，对废水厌氧生物降解度快速判断。
附图说明
图1为本发明实施例一利用微生物燃料电池对废水厌氧生物降解度快速判断装置系统结构示意图。
图2为本发明实施例一的含染料废水电解设备的结构示意图。
具体实施方式
以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
实施例一
在本实施例中，参加图1和图2，一种利用微生物燃料电池对废水厌氧生物降解度快速判断的方法，采取双室反应器1，包括阳极槽2和阴极槽4，双室反应器1为总容量为不低于2L的方形容器，在反应器的阳极槽2内加入待测废水、经驯化后的厌氧污泥和安装阳极电极3，能调节待测废水的pH至7-9，并持续曝入氮气5min，对阳极槽2进行封盖保持厌氧状态；在阴极槽4内加入酸性高锰酸钾溶液和安装阴极电极5；从而形成微生物燃料电池装置；阳极电极3和阴极电极5的外部电路连接含染料废水电解设备6的铂电极板8，在含染料废水电解设备6中加入含染料废水并安装所述铂电极板8，还配套比色卡7，所述比色卡7上的颜色对应阳极槽2内的待测废水的厌氧生物降解度数值，从而形成比色传感器装置；使微生物燃料电池装置和比色传感器装置联用的该装置中持续反应至少48h后，将含染料废水电解设备6中液体颜色与比色卡7比对，匹配颜色，从而得出对应待测废水的厌氧生物降解度数值。所述双室反应器1中采用Nafion质子交换膜作为双室隔断。阳极电极3和阴极电极5的材料采用碳毡。所述阴极槽4内高锰酸钾溶液浓度为20mg/L，酸性高锰酸钾溶液的pH为3.5。所述含染料废水电解设备6为容积50mL的长方体反应器，其内含两片平行铂电极8，两铂电极8板间距为5mm，并对应连接入生物燃料电池的阳极电极3和阴极电极5，含染料废水电解设备6的反应器中的含染料废水采用浓度为25mg/L的酸性橙II溶液作为填充液。所述比色卡7为酸性橙II溶液浓度相应为浓度分别为25、20、15、10、5、0mg/L时的溶液颜色，对应标序数值为0、1、2、3、4、5。微生物燃料电池装置的外部电路连接含染料废水电解设备6的铂电极8板，并配套比色卡7。该装置持续反应48h后，含染料废水电解设备6中液体颜色与比色卡比7对，匹配颜色的对应数值则与废水厌氧生物降解度对应。
在本实施例中，参加图1和图2，经酸析预处理后的碱减量废水含对苯二甲酸PTA，其COD浓度为5386mg/L，厌氧抑制因子较少。量取560mL废水和140mL经驯化后的厌氧污泥投入阳极槽2内，调节pH至7.8并持续曝入氮气5min，封盖保持厌氧状态，阴极槽4内加入浓度为20mg/L酸性高锰酸钾溶液700mL，外部电路连接含染料废水电解设备6及配套比色卡7。该装置持续反应48h后，将含染料废水电解设备6中液体颜色与比色卡7比对。比色结果显示：含染料废水电解设备6中溶液颜色位于3～2之间，判断该经酸析预处理后的碱减量废水厌氧生物降解度一般。
实施例二
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，印染废水COD浓度为1897mg/L。量取560mL废水和140mL经驯化后的厌氧污泥投入阳极槽2内，调节pH至7.2并持续曝入氮气5min，封盖保持厌氧状态，阴极槽4内加入浓度为20mg/L酸性高锰酸钾溶液700mL，外部电路连接含染料废水电解设备6及配套比色卡7。该装置持续反应48h后，将含染料废水电解设备6中液体颜色与比色卡7比对。比色结果显示：含染料废水电解设备6中溶液颜色位于5～4之间，判断该印染废水厌氧生物降解度较高。
实施例三
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，焦化废水COD浓度为5690mg/L，有较高浓度的硫化物、氨氮和硫氰化物。量取560mL废水和140mL经驯化后的厌氧污泥投入阳极槽2内，调节pH至8.0并持续曝入氮气5min，封盖保持厌氧状态，阴极槽4内加入浓度为20mg/L酸性高锰酸钾溶液700mL，外部电路连接含染料废水电解设备6及配套比色卡7。该装置持续反应48h后，将含染料废水电解设备6中液体颜色与比色卡7比对。比色结果显示：含染料废水电解设备6中溶液颜色位于0～1之间，判断该焦化废水厌氧生物降解度较差。
综上所述，上述实施例利用微生物燃料电池对废水厌氧生物降解度快速判断的方法，采取方形双室反应器，反应器阳极槽内加入待测废水、经驯化后的厌氧污泥和阳极电极，调节pH至7～9并持续曝入氮气至少5min，封盖保持厌氧状态；负极槽内加入酸性高锰酸钾溶液和负极电极；外部电路连接含染料废水电解设备及配套比色卡。该装置持续反应至少48h后，含染料废水电解设备中液体颜色与比色卡比对，匹配颜色的对应数值越高则废水厌氧生物降解度越好。本方法操作简便，具有耗时短且有较好的普适度的优点。
上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明利用微生物燃料电池对废水厌氧生物降解度快速判断方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种利用微生物燃料电池对废水厌氧生物降解度快速判断的方法，采取双室反应器(1)，包括阳极槽(2)和阴极槽(4)，其特征在于：双室反应器(1)为总容量为不低于2L的方形容器，在反应器的阳极槽(2)内加入待测废水、经驯化后的厌氧污泥和安装阳极电极(3)，调节待测废水的pH至7～9，并持续曝入氮气至少5min，对阳极槽(2)进行封盖保持厌氧状态；在阴极槽(4)内加入酸性高锰酸钾溶液和安装阴极电极(5)；从而形成微生物燃料电池装置；阳极电极(3)和阴极电极(5)的外部电路连接含染料废水电解设备(6)的铂电极板(8)，在含染料废水电解设备(6)中加入含染料废水并安装所述铂电极板(8)，还配套比色卡(7)，所述比色卡(7)上的颜色对应阳极槽(2)内的待测废水的厌氧生物降解度数值，从而形成比色传感器装置；使微生物燃料电池装置和比色传感器装置联用的该装置中持续反应至少48h后，将含染料废水电解设备(6)中液体颜色与比色卡(7)比对，匹配颜色，从而得出对应待测废水的厌氧生物降解度数值。
2.根据权利要求1所述利用微生物燃料电池对废水厌氧生物降解度快速判断的方法，其特征在于：所述双室反应器(1)中采用Nafion质子交换膜作为双室隔断。
3.根据权利要求1所述利用微生物燃料电池对废水厌氧生物降解度快速判断的方法，其特征在于：在反应器的阳极槽(2)内，投加的厌氧污泥与待测废水的体积比为1:(4～5)。
4.根据权利要求1所述利用微生物燃料电池对废水厌氧生物降解度快速判断的方法，其特征在于：阳极电极(3)和阴极电极(5)的材料采用碳毡、碳棒和碳布中的至少一种碳基材料。
5.根据权利要求1所述利用微生物燃料电池对废水厌氧生物降解度快速判断的方法，其特征在于：所述阴极槽(4)内高锰酸钾溶液浓度为不低于20mg/L，酸性高锰酸钾溶液的pH不高于3.5。
6.根据权利要求1所述利用微生物燃料电池对废水厌氧生物降解度快速判断的方法，其特征在于：所述含染料废水电解设备(6)为容积不高于50mL的长方体反应器，其内含两片平行铂电极(8)，两铂电极(8)板间距不低于5mm，并对应连接入生物燃料电池的阳极电极(3)和阴极电极(5)，含染料废水电解设备(6)的反应器中的含染料废水采用浓度不低于25mg/L的酸性橙II溶液作为填充液。
7.根据权利要求6所述利用微生物燃料电池对废水厌氧生物降解度快速判断的方法，其特征在于：所述比色卡(7)为酸性橙II溶液浓度相应为浓度分别为25、20、15、10、5、0mg/L时的溶液颜色，对应标序数值为0、1、2、3、4、5。
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