高浓度有机废水厌氧生物处理同步产电方法及装置.pdf

1、(10)申请公布号 CN 103145240 A(43)申请公布日 2013.06.12CN103145240A*CN103145240A*(21)申请号 201310095218.5(22)申请日 2013.03.22C02F 3/28(2006.01)H01M 8/16(2006.01)C02F 101/30(2006.01)(71)申请人湖南大学地址 410082 湖南省长沙市岳麓区麓山南路1号(72)发明人陈洪波 李小明 杨麒 罗琨曾光明(54) 发明名称高浓度有机废水厌氧生物处理同步产电方法及装置(57) 摘要高浓度有机废水厌氧生物处理同步产电方法及装置。主要利用产电微生物催化氧化高

2、浓度有机废水中的有机污染物产生电子和质子，产电微生物将呼吸链的电子传递到阳极，并经外电路流向阴极，从而产生外电流；产生的质子通过电解液传递到阴极，内电路电流方向为从阳极流向阴极，由此完成反应器内部电荷的传递；外电路的电子到达阴极与硝态氮及硫酸盐等电子受体发生还原反应，由此完成产电过程。本发明所述方法对高浓度有机废水进行高效厌氧生物处理的同时能实现同步产电，实现净水产能双效合一；所述产电装置结构简单，操作方便，效率高且能耗低，是一种可广泛推广应用的高浓度有机废水处理装置。(51)Int.Cl.权利要求书1页 说明书4页 附图2页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书1

3、页 说明书4页 附图2页(10)申请公布号 CN 103145240 ACN 103145240 A1/1页21.高浓度有机废水厌氧生物处理同步产电方法及装置，其特征在于利用高浓度有机废水厌氧生物处理过程中产生质子和电子，产生的质子传递到阴极，完成内部电荷的传递；产生的电子传递到阳极，并经外电路流向阴极，从而产生外电流；外电路的电子到达阴极与氧气及硝态氮等电子受体发生还原反应，由此实现同步产电。2.根据权利要求1所述的高浓度有机废水厌氧生物处理同步产电方法及装置，其特征在于所述产电装置中安装有阳电极和阴电极，所述阳极采用石墨为电极材料，所述阴极以导电碳纤维刷为电极材料。3.根据权利要求1或2所

4、述的高浓度有机废水厌氧生物处理同步产电方法及装置，其特征在于所述阳极上布置产电微生物膜，厚度为20100m，所述产电微生物使用Desulfovibrio desulforicans和Desulfovibrio salexigens。4.根据权利要求1或2所述的高浓度有机废水厌氧生物处理处理同步产电方法及装置，其特征在于所述高浓度有机废水可生化处理，且COD8000 mg/L。 权 利 要 求 书CN 103145240 A1/4页3高浓度有机废水厌氧生物处理同步产电方法及装置技术领域0001 本发明涉及一种高浓度有机废水厌氧生物处理同步产电方法及装置，尤其适用于分散式可生化高浓度有机废水的处理

5、，属于环境保护中污水处理技术领域。背景技术0002 随着我国工业的快速发展，工业废水的种类和数量迅猛增加，水体污染问题也日益严重，严重影响了人民的生活质量和身心健康，制约着我国经济社会的可持续发展。由于工业废水的成分复杂，甚至具有毒性，工业废水处理比城市污水处理更困难也更重要。高浓度有机废水一般是指由造纸、皮革及食品等行业排出的COD在2000 mg/L以上的废水，这些废水中含有大量的碳水化合物、脂肪、蛋白质和纤维素等有机物，如直接排放，会造成严重污染。0003 高浓度有机废水按其性质来源可分为三大类:易于生物降解的高浓度有机废水，有机物可以降解但含有害物质的废水，难生物降解的和有害的高浓度有

6、机废水。高浓度有机废水主要具有以下特点：一是有机物浓度高，COD一般在2000 mg/L以上，有的甚至高达几万乃至几十万mg/L，相对而言，BOD较低，很多废水BOD/COD比值小于0.3；二是成分复杂，含有毒性物质废水中有机物以芳香族化合物和杂环化合物居多，还多含有硫化物、氮化物、重金属和有毒有机物；三是色度高，有异味，给周围环境造成不良影响。0004 高浓度有机污水主要有以下3 种危害：一是需氧危害，高浓度有机废水生物降解会使水体缺氧甚至厌氧，多数水生物死亡，从而破坏水体生态结构，恶化水质环境；二是感观污染，高浓度有机废水不仅使受纳水体失去使用价值，更严重影响附近居民的日常生活；三是致毒危

7、害，高浓度有机废水中含有的大量有毒有机物会在自然环境中不断累积储存，最后进入人体，危害人体健康。0005 高浓度有机废水处理法分为物化法、化学法以及生物法。物化法常作为一种预处理的手段，通过回收废水中的有用成分或对一些难生物降解物进行处理，从而达到去除有机物，提高生化性，降低生化处理负荷和提高处理效率的目的。一般常用的物化法有萃取法、吸附法、浓缩法、超声波降解法等，物化法的主要缺点是能耗较高。化学法是应用化学原理和化学作用将废水中的污染物成分转化为无害物质, 使废水得到净化的方法，主要包括焚烧法、Fenton 氧化法、臭氧氧化法、电化学氧化法等。化学法通常设备投资大，处理成本高。生物处理是废水

8、净化的主要工艺，主要用于处理农药、印染、制药等行业的有机废水。生物法是利用微生物的代谢作用来分解和转化水体中的有毒有害化学物质及其它各种超标组分的处理技术，降解作用的场所主要是含微生物的活性污泥、生物膜及其相应的反应器，由此诞生了多种生物处理方法和技术。生物法不仅经济安全，而且污染物阈值低、残留少、无二次污染，因而具有较好的应用前景。0006 根据降解作用场所的不同，生物法可分为好氧法与厌氧法。废水厌氧生物处理也称厌氧消化，是一种低成本、将废水处理和能源的回收与利用相结合的废水处理技术，主要通过厌氧微生物（包括兼性微生物）的作用，将废水中的各种复杂有机物分解为甲烷和二氧说 明 书CN 1031

9、45240 A2/4页4化碳等物质。与好氧生物处理技术相比，厌氧法在处理高浓度有机废水方面具有能耗低、剩余污泥产量少、产生的剩余污泥易脱水、营养盐需求量低和容积负荷高等优点。然而，尽管人们在厌氧处理过程中已经较注重能源的回收利用，且为提高回收利用率作出了不少努力，但总体来讲方式仍比较单一，回收利用仍不高。当有机物浓度较高时，通常采用沼气净化后产氢发电法回收厌氧处理生成的甲烷。然而，沼气净化成本较高而综合利用率低，影响沼气产量的因素较多，且甲烷本身只带走一部分能量，因而厌氧生物处理能源回收利用率仍有待提高。0007 微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，MFC）利用微生物的催化

10、作用将废弃物中的碳水化合物的化学能转化为电能。该技术在有效降解废弃物中有机物的同时能产生可供人们直接利用的能源，符合清洁生产和可持续发展的要求，因而日益成为国内外研究的热点。尽管国内外关于微生物燃料电池的研究较多，但大多是以厌氧污泥、海洋底泥等作为底物，主要集中在电池反应器构型、产电细菌和电极材料等方面，而关于废水处理、生物修复等方面的研究较少，国内外至今未发现关于高浓度有机废水厌氧生物处理同步产电的文献报道。发明内容0008 为了克服目前高浓度有机废水处理存在的有机物浓度高、难降解物质降解率低、能源回收利用率低和处理成本高等不足，本发明提供一种高浓度有机废水厌氧生物处理同步产电方法，该方法可

11、在高浓度有机废水厌氧生物处理系统中进行同步产电，处理效率和能源回收利用率高，且装置简便，操作简单。0009 本发明所要解决的技术问题是高效处理高浓度有机废水，并进行同步产电的方法。0010 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：在厌氧生物反应器中接种厌氧活性污泥，注入待处理的高浓度有机废水，并在反应器中安装阳电极和阴电极，阳极和阴极由导线连接蓄电池；以附着于阳极的微生物作为催化剂，降解高浓度废水中的有机物产生的电子和质子，产生的电子经外电路传递到阴极，从而产生外电流；产生的质子通过电解液到达阴极并与电子、硝态氮及硫酸盐发生还原反应，由此完成反应器内部电荷的传递。0011 下面进一步详述本发明

12、。0012 本发明提供了一种高浓度有机废水处理同步发电方法，其特征在于，包括以下步骤：0013 （a）安装设备，在厌氧反应器1中安装挡板2、阳极3和阴极4，并在阳极3上布置产电微生物膜5；0014 （b）废水进入厌氧反应器1，在产电微生物的作用下氧化去除废水中的污染物，产电微生物将呼吸链的电子传递到阳极3，并经外电路传递到阴极4，外电路电流方向为从阴极4流向阳极3；0015 （c）降解废水中的高浓度有机物产生的质子传递到水流方向下游的阴极4，内电路电流方向为从阳极3流向阴极4；0016 （d）外电路的电子到达阴极4并与废水中的电子受体结合，发生还原反应，完成产电过程。说 明 书CN 10314

13、5240 A3/4页50017 所述高浓度有机废水为可生化处理的有机废水，且COD8000 mg/L。0018 所述阳极3以石墨为电极材料，阴极4以导电碳纤维刷为电极材料。0019 所述产电微生物膜5上的产电微生物种类包括Desulfovibrio desulforicans和Desulfovibrio salexigens。0020 所述电子受体包括硝酸盐、硫酸盐和二氧化碳。0021 本发明还提供了一种高浓度有机废水厌氧生物处理同步产电装置，其特征在于，反应器中安装挡板2，并在挡板2的两侧分别安装阳极3和阴极4，阳极3上布置产电微生物膜5。0022 所述阳极3采用石墨为电极材料，所述阴极4以

14、导电碳纤维刷为电极材料。0023 所述阳极3上的产电微生物膜5厚度为20100m。0024 所述产电微生物膜5上的产电微生物包括Desulfovibrio desulforicans和Desulfovibrio salexigens。0025 本发明的有益效果：本发明所述方法利用产电微生物对高浓度有机废水进行高效厌氧生物处理的同时能实现同步产电，不仅能有效防止高浓度有机物对水体和环境人类健康的危害，还可回收利用其中的能源，实现净水产能双效合一；本发明所述装置结构简单，易操作，能耗低且效率高，可自动持续产电，是一种可广泛推广应用的高浓度有机废水处理同步产电装置。附图说明0026 图1为本发明所述

15、高浓度有机废水厌氧生物处理同步产电的原理示意图。0027 图中：0028 1-厌氧反应器；2-挡板；3-阳极；4-阴极；5-产电微生物膜；6-蓄电池；7-导线。0029 图2为连续运行60天内进、出水COD变化情况。0030 图3为稳定运行后单个处理周期内电压和输出功率的变化情况。具体实施方式0031 本发明提供了一种高浓度有机废水厌氧生物处理同步产电方法及装置，下面结合附图说明和具体实施方式对本发明做进一步说明。0032 图1为本发明所述高浓度有机废水厌氧生物处理同步产电的原理示意图。在厌氧反应器1中安装阳极3和阴极4，其中，阳极3采用石墨材料，阴极4采用导电碳纤维刷材料。在阳极3上布置厚度

16、为30m的产电微生物膜5，产电微生物包括Desulfovibrio desulforicans和Desulfovibrio salexigens。设备安装完成后，反应器内保持厌氧状态，可生化处理的高浓度有机废水由反应器左侧的进入并与阳极3接触，在产电微生物的作用下氧化去除废水中的污染物并产生电子和质子，产电微生物将呼吸链的电子传递到阳极3，并经外电路流向阴极4，从而产生外电流；产生的质子通过电解液传递到阴极4，内电路电流方向为从阳极3流向阴极4，由此完成反应器内部电荷的传递；外电路的电子到达阴极4与硝态氮及硫酸盐等电子受体发生还原反应，由此完成产电过程。0033 图2为装置连续运行60天进、出水COD变化情况，图3为装置稳定运行后单个处理周期内电压和输出功率变化情况。目前高浓度有机废水处理负荷为50Kg/m3d，出水COD说 明 书CN 103145240 A4/4页6低于100mg/L，外电路输出电压最高为230mV，输出功率为350W/m3。当废水有机物浓度较高时，可根据实际需要增加反应器中电极和挡板个数，以提升反应器处理效率和产电输出功率，且随着电极材料的不断改进，输出功率将不断增加。说 明 书CN 103145240 A1/2页7图1图2说 明 书 附 图CN 103145240 A2/2页8图3说 明 书 附 图CN 103145240 A