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一種用于含乙腈煉化廢水處理的連續流三段生物產電脫鹽裝置及其應用方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201511022678.0

申請日:

2015.12.30

公開號:

CN105540847A

公開日:

2016.05.04

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):C02F 3/30申請日:20151230|||公開
IPC分類號: C02F3/30; H01M8/16; C02F103/36(2006.01)N; C02F101/30(2006.01)N 主分類號: C02F3/30
申請人: 哈爾濱工業大學
發明人: 魏利; 魏超; 李春穎; 魏東
地址: 150001 黑龍江省哈爾濱市南崗區西大直街92號
優先權:
專利代理機構: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109 代理人: 侯靜
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201511022678.0

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2017.12.08|||2016.06.01|||2016.05.04

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

一種用于含乙腈煉化廢水處理的連續流三段生物產電脫鹽裝置及其應用方法,它屬于煉化廢水處理領域,它要解決目前化工廢水處理的過程中存在浪費能源問題。裝置包括陽極室、陽極碳刷、陰離子交換膜、脫鹽室、陽離子交換膜、陰極碳刷、陰極室、參比電極、曝氣裝置、兼性室,電阻,水泵。應用:經培養、馴化,生成厭氧產電生物膜好氧產電生物膜和兼性厭氧活性污泥;待處理水采用重力流的方式在各處理室進行流動,獲得穩定的電能輸出即完成。本發明采用連續運行的方式,處理廢水降解有機物并高效脫鹽,實現了對有毒有害物質處理的同時,獲得穩定的電能輸出,連續流三段生物產電的運行過程中不需要額外的能力輸入或是高的滲透壓,具有良好的應用前景。

權利要求書

1.一種用于含乙腈煉化廢水處理的連續流三段生物產電脫鹽裝置,其特征在于它包括
陽極室(1)、陽極碳刷(2)、陰離子交換膜(3)、脫鹽室(4)、陽離子交換膜(5)、陰極
碳刷(6)、陰極室(7)、參比電極(8)、曝氣裝置(9)、兼性室(10),電阻(11),水泵
(12);所述陽極室(1)和陰極室(7)之間設置脫鹽室(4);所述陽極室(1)和脫鹽室
(4)之間設置陰離子交換膜(3),脫鹽室(4)和陰極室(7)之間設置陽離子交換膜(5);
陽極室(1)內設置有陽極碳刷(2)和參比電極(8),陽極室(1)底部設置進水口;脫鹽
室(4)上部設置出水口;陰極室(7)內設置有陰極碳刷(6),陰極室(7)底部設置曝氣
裝置(9);陽極室(1)與陰極室(7)通過外置的電阻(11)相連。
2.如權利要求1所述的一種用于含乙腈煉化廢水處理的連續流三段生物產電脫鹽裝置
的應用方法,其特征在于它按以下步驟進行:
一、培養階段:關閉水泵(12),陽極碳刷(2)、陰極碳刷(6)和兼性室(10)中分
別接種具有煉化廢水降解能力的活性污泥,然后分別向陽極室(1)、陰極室(7)和兼性室
(10)注滿含乙腈煉化廢水,陽極室(1)密封24h,陰極室(7)通過曝氣裝置(9)持續
曝氣24h,兼性室(10)靜止停留24h,然后分別排水;
二、馴化階段:通過外置的電阻(11)連接陽極碳刷(2)和陰極碳刷(6),然后向陽
極室(1)和陰極室(7)分別加入PBS緩沖液至濃度為18~22ppm、加葡萄糖至濃度為
50~500mg/L,再分別向陽極室(1)、陰極室(7)和兼性室(10)注滿含乙腈煉化廢水,產
生電流后每當電壓下降至50mV,然后將陽極室(1)、陰極室(7)和兼性室(10)中所有
液體倒掉;
三、重復操作步驟二10-15天后,陽極室(1)生成厭氧產電生物膜,陰極室(7)生
成好氧產電生物膜,兼性室(10)生成兼性厭氧活性污泥;
打開水泵(12),采用下進上出的方式進行待處理水的流動;將含乙腈煉化廢水作為待
處理水由進水口進入陽極室(1),水力停留1~4h,陽極室(1)的出水作為兼性室(10)
的進水,水力停留1~4h,兼性室(10)的出水作為陰極室(7)的進水,曝氣裝置(9)的
進行曝氣,水力停留1~4h,陰極室(7)的出水一部分作為脫鹽室(4)的進水,水力停留
1~4h,排出作為最終出水,陰極室(7)的另一部分出水回流至兼性室(10),24h后外置
的電阻(11)呈現出穩定的電能輸出,即完成用于含乙腈煉化廢水處理的連續流三段生物
產電脫鹽。
3.根據權利要求2所述的一種用于含乙腈煉化廢水處理的連續流三段生物產電脫鹽裝
置的應用方法,其特征在于步驟一中具有煉化廢水降解能力的活性污泥來自城市生活污水
處理廠二沉池的活性污泥。
4.根據權利要求2所述的一種用于含乙腈煉化廢水處理的連續流三段生物產電脫鹽裝
置的應用方法,其特征在于步驟一中具有煉化廢水降解能力的活性污泥的接種量占各室體
積的20%~30%。
5.根據權利要求2所述的一種用于含乙腈煉化廢水處理的連續流三段生物產電脫鹽裝
置的應用方法,其特征在于步驟一中具有煉化廢水降解能力的活性污泥的接種量占各室體
積的25%。
6.根據權利要求2所述的一種用于含乙腈煉化廢水處理的連續流三段生物產電脫鹽裝
置的應用方法,其特征在于步驟一、二和三中含乙腈煉化廢水的COD均為1500~2000mg/L、
BOD均為400~600mg/L、氨氮均為300~400mg/L和乙腈含量均為50~200mg/L。
7.根據權利要求2所述的一種用于含乙腈煉化廢水處理的連續流三段生物產電脫鹽裝
置的應用方法,其特征在于步驟一、二和三中含乙腈煉化廢水的COD均為1800mg/L、BOD
均為500mg/L、氨氮均為3500mg/L和乙腈含量均為100mg/L。
8.根據權利要求2所述的一種用于含乙腈煉化廢水處理的連續流三段生物產電脫鹽裝
置的應用方法,其特征在于步驟二向陽極室(1)和陰極室(7)分別加入PBS緩沖液至濃
度為20ppm、加葡萄糖至濃度為300mg/L。
9.根據權利要求2所述的一種用于含乙腈煉化廢水處理的連續流三段生物產電脫鹽裝
置的應用方法,其特征在于步驟三中曝氣裝置(9)進行曝氣,曝氣量為16:1,保持溶解氧
含量大于2mg/L。
10.根據權利要求2所述的一種用于含乙腈煉化廢水處理的連續流三段生物產電脫鹽
裝置的應用方法,其特征在于步驟三中陰極室(7)的另一部分出水回流至兼性室(10),
回流比為4:1。

說明書

一種用于含乙腈煉化廢水處理的連續流三段生物產電脫鹽裝置及其應用方法

技術領域

本發明屬于煉化廢水處理領域,具體涉及一種產電脫鹽裝置及其應用方法。

背景技術

環境問題與能源問題制約著人類社會的發展。由于工業的不斷發展,導致了工業用水量的急劇攀升,這無疑加重了水資源短缺這一危機。在化學工業生產中產生的大量化工廢水含有烴類物質以及其它難降解物質,如果不能妥善處置,勢必會造成受納環境的污染,威脅生態環境安全,危害人類及其它生物的健康,因此,化工廢水的處理成為始終困擾工業發展與人類生活的難題。與此同時,人類賴以生存的化石能源日漸枯竭,在化石能源的開采利用過程中也加重了環境問題,因此,尋找可持續的清潔能源成為了解決能源危機的一條出路。化工廢水在處理的過程中同樣需要耗散一定的能源,其中所蘊含的有機物物質被降解轉化也成為了一種資源的浪費。因此,化工廢水處理與產生能源相結合為化工廢水的處理提供了新的思路與發展方向。生物電化學系統是利用微生物降解有機物,將化學能轉化為電能的的電化學裝置。

發明內容

本發明目的是為了解決目前化工廢水處理的過程中存在浪費能源問題,而提供的一種用于含乙腈煉化廢水處理的連續流三段生物產電脫鹽裝置及其應用方法。

一種用于含乙腈煉化廢水處理的連續流三段生物產電脫鹽裝置,它包括陽極室、陽極碳刷、陰離子交換膜、脫鹽室、陽離子交換膜、陰極碳刷、陰極室、參比電極、曝氣裝置、兼性室,電阻,水泵;所述陽極室和陰極室之間設置脫鹽室;所述陽極室和脫鹽室之間設置陰離子交換膜,脫鹽室和陰極室之間設置陽離子交換膜;陽極室內設置有陽極碳刷和參比電極,陽極室底部設置進水口;脫鹽室上部設置出水口;陰極室內設置有陰極碳刷,陰極室底部設置曝氣裝置;陽極室與陰極室通過外置的電阻相連。

上述用于含乙腈煉化廢水處理的連續流三段生物產電脫鹽裝置的應用方法,按以下步驟進行:

一、培養階段:關閉水泵,陽極碳刷、陰極碳刷和兼性室中分別接種具有煉化廢水降解能力的活性污泥,然后分別向陽極室、陰極室和兼性室注滿含乙腈煉化廢水,陽極室密封24h,陰極室通過曝氣裝置持續曝氣24h,兼性室靜止停留24h,然后分別排水;

二、馴化階段:通過外置的電阻連接陽極碳刷和陰極碳刷,然后向陽極室和陰極室分別加入PBS緩沖液至濃度為18~22ppm、加葡萄糖至濃度為50~500mg/L,再分別向陽極室、陰極室和兼性室注滿含乙腈煉化廢水,產生電流后每當電壓下降至50mV,然后將陽極室、陰極室和兼性室中所有液體倒掉;

三、重復操作步驟二10-15天后,陽極室生成厭氧產電生物膜,陰極室生成好氧產電生物膜,兼性室生成兼性厭氧活性污泥;

打開水泵,采用下進上出的方式進行待處理水的流動;將含乙腈煉化廢水作為待處理水由進水口進入陽極室,水力停留1~4h,陽極室的出水作為兼性室的進水,水力停留1~4h,兼性室的出水作為陰極室的進水,曝氣裝置的進行曝氣,水力停留1~4h,陰極室的出水一部分作為脫鹽室的進水,水力停留1~4h,排出作為最終出水,陰極室的另一部分出水回流至兼性室,24h后外置的電阻呈現出穩定的電能輸出,即完成用于含乙腈煉化廢水處理的連續流三段生物產電脫鹽。

本發明用于含乙腈煉化廢水處理的連續流三段生物產電脫鹽裝置,采用連續運行的方式,各室進出水均采取下進上出的方式,含乙腈煉化廢水經過陽極室-兼性室-陰極室-脫鹽室依次處理,處理廢水降解有機物并高效脫鹽,實現了對有毒有害物質處理的同時,獲得穩定的電能輸出,連續流三段生物產電的運行過程中不需要額外的能力輸入或是高的滲透壓,具有良好的應用前景。

本發明中脫鹽率可達80%以上,能夠獲得600~830mV的輸出電壓,乙腈的去除率為80%~90%,COD的去除率為50%-90%。

附圖說明

圖1為本發明中用于含乙腈煉化廢水處理的連續流三段生物產電脫鹽裝置的示意圖,其中1表示陽極室、2表示陽極碳刷、3表示陰離子交換膜、4表示脫鹽室、5表示陽離子交換膜、6表示陰極碳刷、7表示陰極室、8表示參比電極、9表示曝氣裝置、10表示兼性室,11表示電阻,12表示水泵;

圖2為實施例中COD降解情況的曲線圖,其中◆表示原水、■表示陽極出水、▲表示兼性出水、●表示陰極出水;

圖3為實施例中產電的極化曲線圖,其中●表示電壓、▲表示功率密度;

圖4為本發明的反應原理圖。

具體實施方式

本發明技術方案不局限于以下所列舉具體實施方式,還包括各具體實施方式間的任意組合。

具體實施方式一:結合圖1所示,本實施方式用于含乙腈煉化廢水處理的連續流三段生物產電脫鹽裝置,它包括陽極室1、陽極碳刷2、陰離子交換膜3、脫鹽室4、陽離子交換膜5、陰極碳刷6、陰極室7、參比電極8、曝氣裝置9、兼性室10,電阻11,水泵12;所述陽極室1和陰極室7之間設置脫鹽室4;所述陽極室1和脫鹽室4之間設置陰離子交換膜3,脫鹽室4和陰極室7之間設置陽離子交換膜5;陽極室1內設置有陽極碳刷2和參比電極8,陽極室1底部設置進水口;脫鹽室4上部設置出水口;陰極室7內設置有陰極碳刷6,陰極室7底部設置曝氣裝置9;陽極室1與陰極室7通過外置的電阻11相連。

本實施方式中陽極室1為厭氧環境,陰極室7內設置曝氣裝置9;兼性室10由厭氧的出水和陰極室7的好氧水回流來保證兼性條件。

本實施方式中陽極室1,脫鹽室4,陰極室7依次組成的是微生物脫鹽燃料電池(MDC)。

具體實施方式二:本實施方式用于含乙腈煉化廢水處理的連續流三段生物產電脫鹽裝置的應用方法,按以下步驟進行:

一、培養階段:關閉水泵12,陽極碳刷2、陰極碳刷6和兼性室10中分別接種具有煉化廢水降解能力的活性污泥,然后分別向陽極室1、陰極室7和兼性室10注滿含乙腈煉化廢水,陽極室1密封24h,陰極室7通過曝氣裝置9持續曝氣24h,兼性室10靜止停留24h,然后分別排水;

二、馴化階段:通過外置的電阻11連接陽極碳刷2和陰極碳刷6,然后向陽極室1和陰極室7分別加入PBS緩沖液至濃度為18~22ppm、加葡萄糖至濃度為50~500mg/L,再分別向陽極室1、陰極室7和兼性室10注滿含乙腈煉化廢水,產生電流后每當電壓下降至50mV,然后將陽極室1、陰極室7和兼性室10中所有液體倒掉;

三、重復操作步驟二10-15天后,陽極室1生成厭氧產電生物膜,陰極室7生成好氧產電生物膜,兼性室10生成兼性厭氧活性污泥;

打開水泵12,采用下進上出的方式進行待處理水的流動;將含乙腈煉化廢水作為待處理水由進水口進入陽極室1,水力停留1~4h,陽極室1的出水作為兼性室10的進水,水力停留1~4h,兼性室10的出水作為陰極室7的進水,曝氣裝置9的進行曝氣,水力停留1~4h,陰極室7的出水一部分作為脫鹽室4的進水,水力停留1~4h,排出作為最終出水,陰極室7的另一部分出水回流至兼性室10,24h后外置的電阻11呈現出穩定的電能輸出,即完成用于含乙腈煉化廢水處理的連續流三段生物產電脫鹽。

本實施方式中24h后外置的電阻11呈現出穩定的電能輸出,兼性室10完成脫氮排出氮氣,陰極室7排出CO2。

本實施方式中反應原理如圖4所示。

本實施方式中在陽極室1中處于厭氧環境下,含乙腈煉化廢水中的有機物在陽極碳刷2表面的產電微生物作用下被降解,并且產生電子放出質子,由于質子無法穿過陰離子交換膜3,脫鹽室4中的陰離子就會轉移到陽極室1中以保持電荷平衡;而產生的電子通過外置的電阻11到達陰極室7,脫鹽室4中的陽離子通過陽離子交換膜轉移到陰極室7,最終在外置的電阻11上呈現出穩定的電能輸出,實現了連續流三段生物產電;在這個過程中,脫鹽室4中的進水在沒有外加壓力和電場的條件下進行高效脫鹽,與此同時陽極室1降解含乙腈煉化廢水中的有機物,兼性室10繼續降解剩余的有機物,脫氮并產生氮氣排出,陰極室7產生CO2排出。

本實施方式中含乙腈煉化廢水來自大慶油田煉化公司乙腈廢水車間。

具體實施方式三:本實施方式與具體實施方式二不同的是,步驟一中具有煉化廢水降解能力的活性污泥來自城市生活污水處理廠二沉池的活性污泥。其它步驟及參數與具體實施方式二相同。

具體實施方式四:本實施方式與具體實施方二不同的是,步驟一中具有煉化廢水降解能力的活性污泥的接種量占各室體積的20%~30%。其它步驟及參數與具體實施方式二相同。

具體實施方式五:本實施方式與具體實施方式二不同的是,步驟一中具有煉化廢水降解能力的活性污泥的接種量占各室體積的25%。其它步驟及參數與具體實施方式二相同。

具體實施方式六:本實施方式與具體實施方式二不同的是,步驟一、二和三中含乙腈煉化廢水的COD均為1500~2000mg/L、BOD均為400~600mg/L、氨氮均為300~400mg/L和乙腈含量均為50~200mg/L。其它步驟及參數與具體實施方式二相同。

具體實施方式七:本實施方式與具體實施方式二不同的是,步驟一、二和三中含乙腈煉化廢水的COD均為1800mg/L、BOD均為500mg/L、氨氮均為3500mg/L和乙腈含量均為100mg/L。其它步驟及參數與具體實施方式二相同。

具體實施方式八:本實施方式與具體實施方式二不同的是,步驟二向陽極室1和陰極室7分別加入PBS緩沖液至濃度為20ppm、加葡萄糖至濃度為300mg/L。其它步驟及參數與具體實施方式二相同。

具體實施方式九:本實施方式與具體實施方式二不同的是,步驟三中曝氣裝置9進行曝氣,曝氣量為16:1,保持溶解氧含量大于2mg/L。其它步驟及參數與具體實施方式二相同。

具體實施方式十:本實施方式與具體實施方式二不同的是,步驟三中陰極室7的另一部分出水回流至兼性室10,回流比為4:1。其它步驟及參數與具體實施方式二相同。

采用以下實施例驗證本發明的有益效果:

實施例:

結合圖1所示,用于含乙腈煉化廢水處理的連續流三段生物產電脫鹽裝置的應用方法,按以下步驟進行:

一、培養階段:關閉水泵12,陽極碳刷2、陰極碳刷6和兼性室10中分別接種具有煉化廢水降解能力的活性污泥,然后分別向陽極室1、陰極室7和兼性室10注滿含乙腈煉化廢水,陽極室1密封24h,陰極室7通過曝氣裝置9持續曝氣24h,兼性室10靜止停留24h,然后分別排水;

二、馴化階段:通過外置的電阻11連接陽極碳刷2和陰極碳刷6,然后向陽極室1和陰極室7分別加入PBS緩沖液至濃度為20ppm、加葡萄糖至濃度為300mg/L,再分別向陽極室1、陰極室7和兼性室10注滿含乙腈煉化廢水,產生電流后每當電壓下降至50mV,然后將陽極室1、陰極室7和兼性室10中所有液體倒掉;

三、重復操作步驟二15天后,陽極室1生成厭氧產電生物膜,陰極室7生成好氧產電生物膜,兼性室10生成兼性厭氧活性污泥;

打開水泵12,采用下進上出的方式進行待處理水的流動;將含乙腈煉化廢水作為待處理水由進水口進入陽極室1,水力停留3h,陽極室1的出水作為兼性室10的進水,水力停留3h,兼性室10的出水作為陰極室7的進水,曝氣裝置9的進行曝氣,水力停留3h,陰極室7的出水一部分作為脫鹽室4的進水,水力停留3h,排出作為最終出水,陰極室7的另一部分出水回流至兼性室10,24h后外置的電阻11呈現出穩定的電能輸出,即完成用于含乙腈煉化廢水處理的連續流三段生物產電脫鹽。

本實施例步驟一中具有煉化廢水降解能力的活性污泥來自城市生活污水處理廠二沉池的活性污泥;含乙腈煉化廢水來自大慶油田煉化公司乙腈廢水車間。

本實施例步驟三中曝氣裝置9的曝氣裝置9的進行曝氣,曝氣量為16:1,保持溶解氧含量大于2mg/L;步驟三中陰極室7的另一部分出水回流至兼性室10,回流比為4:1。

本實施例中24h后外置的電阻11呈現出穩定的電能輸出;兼性室10完成脫氮排出氮氣,陰極室7排出CO2。

圖2為COD降解情況的曲線圖,可見乙腈煉化廢水通過陽極室處理后COD去除率為43%,然后將陽極處理后的水進入到兼性室繼續處理,COD的去除率為45%,兼性室處理后的水進入到陰極室繼續處理,COD的去除率為50%;

圖3為實施例中產電的極化曲線圖,可見時產電率較高;

綜上本實施例中在實現對有毒有害物質處理的同時,整個處理過程不需要外加能量,能夠獲得穩定的電能輸出,同時可以實現并高效脫鹽,具有良好的應用前景。

關 鍵 詞:
一種 用于 含乙腈煉化 廢水處理 連續流 生物 脫鹽 裝置 及其 應用 方法
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