CN109956541A - 一种基于微生物燃料电池处理农药废水的方法 - Google Patents

一种基于微生物燃料电池处理农药废水的方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种基于微生物燃料电池处理农药废水的方法，通过构建一个以污水处理厂浓缩池的污泥作为底物的双室微生物燃料电池，接种启动运行，寻找最佳运行条件，最后应用于农药废水的处理；将微生物燃料电池技术与农药废水的处理相结合，不仅适用于农药工厂生产废水的处理，也适用于农田径流等导致的河水农药污染问题的处理，以污泥作为底物处理农药废水不仅能够提高废水的处理效率，还解决污泥处置问题，而且在其废物利用的同时还能产电能，能够很好的做到节能减排，减少环境污染。

Description

一种基于微生物燃料电池处理农药废水的方法
技术领域
本发明属于一种新型节能环保的废水处理技术领域，特别涉及基于微生物燃料电池处理农药废水的方法。
背景技术
近年来，水质污染问题仍然严峻，其中农药废水的污染问题更是直接关系到人们的生命安全。因此随着人们安全健康意识的逐步提高，对于农药废水的处理也逐渐被提上日程。农药废水中污染物浓度极高，有机污染物种类繁多，水质COD高达数万毫克每升。应用微生物燃料电池技术处理废水能够很好的降低废水的COD ，因此可以将微生物燃料电池应用于农药废水的处理。由于微生物燃料电池还可以产电，那么我们可以做到在处理废水的过程中同步进行产电，既能解决水污染以及污泥处置的问题，又能产生电能，是节能减排的一大创新发明。而且已有研究表明真菌、细菌、藻类等微生物对有农药有很好的降解作用，即我们只需驯化出一批合适的微生物便能够达到很好的农药降解的目的。因此针对不同的农药废水，我们要对所取的污泥进行驯化以满足降解农药的需要。
中国专利201610235172.6公开了一种有机废弃物梯级转化产能系统及方法，制氢系统和发酵系统的部分产物进入微生物燃料电池系统进一步处理，实现废水再降解、产能和H2、CH4提纯。将有机废弃物的阶梯利用和产能二者结合起来，形成了一套系统和方法，实现了有机废弃物的降解和资源化利用，以及有效利用有机物中能量进行产能。但是考虑到成本高昂，操作复杂，现有技术就显得略有不足。
发明内容
解决的技术问题：本申请主要是提出一种基于微生物燃料电池处理农药废水的方法，解决现有技术中存在的成本高昂、操作复杂等技术问题，在原有技术的基础上创新性的将微生物燃料电池技术与污水处理相结合，提供了一种效率高又产能的污水处理的新方向。
技术方案：
一种基于微生物燃料电池处理农药废水的方法，包括构建双室微生物燃料电池，接种活性污泥为底物并以葡萄糖为基质，伴随着两极室内化学反应的进行，质子和电子流动扩散，电流因此产生，同时废水也能够得到处理，具体包括如下步骤：
第一步，厌氧活性污泥的培养和驯化；
第二步，双室微生物燃料电池的构建与启动，两极室均由玻璃瓶构成，玻璃瓶容积为250mL，两极室中分别装满电解液，中间连接处以质子膜隔开，所述质子膜的作用面积为半径3.5cm的圆，两极的电极均由碳纸构成，有效面积为3×3.5cm，阴阳两极通过钛导线相连；
第三步：对微生物燃料电池条件优化；
第四步：农药废水进水前预处理。
作为本发明的一种优选技术方案：所述第一步中的厌氧活性污泥的培养是要在取回的污泥中加入营养物质进行厌氧培养以保证其活性，而厌氧活性污泥的驯化即针对不同种类的农药废水在污泥中加入相应的农药废水作为营养液对其进行厌氧培养。
作为本发明的一种优选技术方案：所述第二步两极室中的电解液其中阳极室中为污泥和葡萄糖营养物质，其中葡萄糖营养物质配比如下：葡萄糖1g/L、NaHCO3 3.13g/L、NH4Cl 0.31g/L、NaH2PO4•2H2O 6.23g/L、KCl 0.13g/L、Na2HPO4 2.75g/L、(NH4)2SO4 0.56g/L、MgSO4•7H2O 0.2mg/L、CaCl2 15mg/L、FeCl3•6H2O 1mg/L、MnSO4•H2O 20mg/L，阴极室中电解液为铁氰化钾及磷酸缓冲溶液，所述铁氰化钾及磷酸缓冲溶液中原料的质量份数配比为NaH2PO4：Na2HPO4•12H2O：K3[Fe(CN)6]= 15.6：53.7：16.45，阳极室置于磁力搅拌器上，保持阳极液处于转速15 r/min搅动中，农药废水中的有机污染成分在阳极进行氧化，产生电子和质子，电子受体在阴极得以还原，因而回路中有电流产生，经过48h后，污泥中的微生物成功附着于碳纸电极上，电压上升，则启动成功。
作为本发明的一种优选技术方案：所述第三步的微生物燃料电池的条件优化即在电池构建完成后污泥选择厌氧活性污泥，浓度为2%-15%，外接可变电阻箱为负载，电阻箱的电阻为50-1500Ω，待电池构建运行成功后，优化运行条件，找到效率最高状态时的污泥接种浓度和外接电阻，并将其运用到后续的农药废水的处理。
作为本发明的一种优选技术方案：所述农药废水进水前有一定的预处理过程，对农药废水进行COD 的测定，在COD 浓度≤2500mg/L时可以直接进入微生物燃料电池中处理；若COD值＞2500mg/L，则需对农药废水进行稀释后再进入微生物燃料电池中，以保证农药废水的浓度不能超过电池内微生物生存的最大限值，同时也是为了保证微生物燃料电池的高效运行。
有益效果：本申请所述基于微生物燃料电池处理农药废水的方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、创新性的将微生物燃料电池技术与农药废水的处理相结合，不仅适用于农药工厂生产废水的处理，也适用于农田径流等导致的河水农药污染问题的处理。
2、以污泥作为底物处理农药废水不仅能够提高废水的处理效率，在一定程度上还解决污泥处置问题。
3、而且在其废物利用的同时还能产电能，能够很好的做到节能减排，减少环境污染。
4、应用污泥微生物燃料电池处理农药废水，在降解处理农药废水的同时，本装置还有非常可观的产电量，不仅创新了农药废水的处理方式，减少了污泥处理带来的环境问题，同时还有可观的产电量，给如今面对能源枯竭的世界带来了福音，真正做到了节能减排。
附图说明：
图1为双室微生物燃料电池结构示意图；
图2为处理农药甲霜灵时电压随时间的变化曲线；
图3 为处理农药甲霜灵时COD浓度随时间的变化曲线；
图4为进水COD 浓度与微生物燃料电池功率密度的变化关系曲线。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。以污泥为底物的双室微生物燃料电池污水处理技术，污泥为取自污水处理厂浓缩池的活性污泥。整个装置的工作原理是：在厌氧条件下，阳极室内的有机物在微生物的作用下被氧化为H+和e-及代谢产物，H+由质子膜扩散到达阴极，而e-则经由外接导线到达阴极。在阴极室内电子受体与H+和e-发生还原反应，电子受体被还原。随着阳极室内基质被微生物连续氧化和阴极室内还原反应的连续进行，外电路就会获得连续的电流。在此过程中，微生物燃料电池同时进行污染物的降解和产电，而且还解决了污泥处置的问题，开创了一种新型环保的污废水处理方式。
如图1所示，所述双室微生物燃料电池由阴极1、导线2、阳极3、取样口4、换液口5、碳纸6、质子膜7和固定夹8组成。
实施例1
如图1所示，一种基于微生物燃料电池处理农药废水的方法，包括构建双室微生物燃料电池，接种活性污泥为底物并以葡萄糖为基质，伴随着两极室内化学反应的进行，质子和电子流动扩散，电流因此产生，同时废水也能够得到处理，具体包括如下步骤：
第一步，厌氧活性污泥的培养和驯化，所述的污泥的培养是要在取回的污泥中加入营养物质进行厌氧培养以保证其活性，而污泥的驯化即针对不同种类的农药废水在污泥中加入相应的农药废水作为营养液对其进行厌氧培养；
第二步，双室微生物燃料电池的构建与启动，两极室均由玻璃瓶构成，玻璃瓶容积为250mL，两极室中分别装满电解液，中间连接处以质子膜隔开，所述质子膜的作用面积为半径3.5cm的圆，两极的电极均由碳纸构成，有效面积为3×3.5cm，阴阳两极通过钛导线相连；
第三步：对微生物燃料电池条件优化，所述两极室中的电解液其中阳极室中为污泥和葡萄糖营养物质，阴极室中电解液为铁氰化钾及磷酸缓冲溶液，所述铁氰化钾及磷酸缓冲溶液中原料的质量浓度配比为NaH2PO4：Na2HPO4•12H2O：K3[Fe(CN)6]= 15.6：53.7：16.45，阳极室置于磁力搅拌器上，保持阳极液处于转速15 r/min搅动中以保证营养物质和微生物混合均匀，农药废水中的有机污染成分在阳极进行氧化，产生电子和质子，电子受体在阴极得以还原，因而回路中有电流产生，经过48h后，污泥中的微生物成功附着于碳纸电极上，电压也明显上升，则启动成功；所述的微生物燃料电池的条件优化即在电池构建完成后从阳极液接种浓度范围2%-15%厌氧活性污泥、葡萄糖营养物质和外接电阻范围50-1500Ω两方面对其性能进行优化，外接可变电阻箱为负载，待电池构建运行成功后，优化运行条件，找到效率最高状态时的污泥接种浓度和外接电阻，并将其运用到后续的农药废水的处理，葡萄糖营养物质配比如下：葡萄糖1g/L、NaHCO3 3.13g/L、NH4Cl 0.31g/L、NaH2PO4•2H2O 6.23g/L、KCl 0.13g/L、Na2HPO4 2.75g/L、(NH4)2SO4 0.56g/L、MgSO4•7H2O 0.2mg/L、CaCl2 15mg/L、FeCl3•6H2O 1mg/L、MnSO4•H2O 20mg/L；
第四步：所述农药废水进水前有一定的预处理过程，对农药废水进行COD 的测定，在COD 浓度≤2500mg/L时可以直接进入微生物燃料电池中处理；若COD值＞2500mg/L，则需对农药废水进行稀释后再进入微生物燃料电池中，以保证农药废水的浓度不能超过电池内微生物生存的最大限值，同时也是为了保证微生物燃料电池的高效运行。
如图2所示，在处理甲霜灵废水的时候，微生物燃料电池在第33个小时开始有稳定的电压，可持续17个小时，稳定电压达到0.5V。
如图3所示，一开始废水中的COD就会下降，在达到稳定电压时COD的去除率也相对最高，做到了产电的同时还能高效的处理废水。
如图4所示，在进水COD浓度为2500mg/l时微生物燃料电池的功率密度较高，因此在进废水进行处理之前应该有一个废水预处理的过程。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (5)

1.一种基于微生物燃料电池处理农药废水的方法，其特征在于，包括构建双室微生物燃料电池，接种活性污泥为底物并以葡萄糖为基质，伴随着两极室内化学反应的进行，质子和电子流动扩散，电流因此产生，同时废水也能够得到处理，具体包括如下步骤：
第一步：厌氧活性污泥的培养和驯化；
第二步，双室微生物燃料电池的构建与启动：两极室均由玻璃瓶构成，玻璃瓶容积为250mL，两极室中分别装满电解液，中间连接处以质子膜隔开，所述质子膜的作用面积为半径3.5cm的圆，两极的电极均由碳纸构成，有效面积为3×3.5cm，阴阳两极通过钛导线相连；
第三步：对微生物燃料电池条件优化；
第四步：农药废水进水前预处理。
2.根据权利要求1所述的基于微生物燃料电池处理农药废水的方法，其特征在于：所述第一步中的厌氧活性污泥的培养是要在取回的污泥中加入营养物质进行厌氧培养以保证其活性，而厌氧活性污泥的驯化即针对不同种类的农药废水在污泥中加入相应的农药废水作为营养液对其进行厌氧培养。
3.根据权利要求1所述的基于微生物燃料电池处理农药废水的方法，其特征在于：所述第二步两极室中的电解液其中阳极室中为污泥和葡萄糖营养物质，其中葡萄糖营养物质配比如下：葡萄糖1g/L、NaHCO3 3.13g/L、NH4Cl 0.31g/L、NaH2PO4•2H2O 6.23g/L、KCl 0.13g/L、Na2HPO4 2.75g/L、(NH4)2SO4 0.56g/L、MgSO4•7H2O 0.2mg/L、CaCl2 15mg/L、FeCl3•6H2O1mg/L、MnSO4•H2O 20mg/L，阴极室中电解液为铁氰化钾及磷酸缓冲溶液，所述铁氰化钾及磷酸缓冲溶液中原料的质量份数配比为NaH2PO4：Na2HPO4•12H2O：K3[Fe(CN)6]= 15.6：53.7：16.45，阳极室置于磁力搅拌器上，保持阳极液处于转速15 r/min搅动中，农药废水中的有机污染成分在阳极进行氧化，产生电子和质子，电子受体在阴极得以还原，因而回路中有电流产生，经过48h后，污泥中的微生物成功附着于碳纸电极上，电压上升，则启动成功。
4.根据权利要求1所述的基于微生物燃料电池处理农药废水的方法，其特征在于：所述第三步的微生物燃料电池的条件优化即在电池构建完成后污泥选择厌氧活性污泥，浓度为2%-15%，外接可变电阻箱为负载，电阻箱的电阻为50-1500Ω，待电池构建运行成功后，优化运行条件，找到效率最高状态时的污泥接种浓度和外接电阻，并将其运用到后续的农药废水的处理。
5.根据权利要求1所述的基于微生物燃料电池处理农药废水的方法，其特征在于：所述农药废水进水前有一定的预处理过程，对农药废水进行COD 的测定，在COD 浓度≤2500mg/L时可以直接进入微生物燃料电池中处理；若COD值＞2500mg/L，则需对农药废水进行稀释后再进入微生物燃料电池中，以保证农药废水的浓度不能超过电池内微生物生存的最大限值，同时也是为了保证微生物燃料电池的高效运行。
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