一種低能耗難降解有機廢水回用的方法
2023-05-13 19:28:16 1
一種低能耗難降解有機廢水回用的方法
【專利摘要】本發明提供一種低能耗難降解有機廢水回用的方法，屬於難降解廢水資源化【技術領域】，將難降解有機廢水通過pH調節、水解酸化、芬頓氧化、電解預處理後，採用耦合微生物燃料電池(厭氧生物技術)的膜生物反應器(好氧生物技術)處理難降解有機廢水，利用微生物燃料電池所產電能補償膜生物反應器的電能消耗，同時可使作為微生物燃料電池陰極的膜生物反應器膜組件表面帶負電，與膜面汙染物間產生靜電斥力，以有效減輕膜汙染，與傳統處理工藝相比，噸廢水處理能耗降低40％～70％，系統的COD和氨氮去除率均達92.0％～99.5％，出水水質符合我國城鎮汙水處理廠汙染物排放標準(GB18918-2002)中的一級A標準和行業內回用要求。本發明技術科學合理，對實現難降解有機廢水的回用具有重要意義。
【專利說明】一種低能耗難降解有機廢水回用的方法
【技術領域】
[0001]一種低能耗難降解有機廢水回用的方法，屬於難降解有機廢水資源化【技術領域】。【背景技術】
[0002]近年來，作為廢水物理與生物處理技術的優勢組合，以剩餘汙泥產量低和高效脫氮見長、以有機廢水資源化(或回用)和無害化為最終目標的膜生物反應器(MembraneBioreactor, MBR)技術已在有機廢水處理領域得到廣泛的應用。據統計，我國投入運行或在建的MBR有機廢水處理工程已超過300項，其中，萬噸級MBR系統近10套。然而，國內外實踐表明，運行成本和膜汙染始終是制約MBR穩定運行的主要障礙。微生物燃料電池(Microbial Fuel Ce 11, MFC)是一項通過陽極產電生物膜降解有機廢水中難降解物並產生可持續電能的新技術。像所有燃料電池一樣，MFC發電不是將燃料(廢水或廢棄物中的難降解物)燃燒，而是在厭氧條件下從燃料分子剝取電子(即微生物呼吸作用產塵的電子)，並將其通過預定途徑(電極和外電路)傳遞到氧，將原本用於氧化磷酸化生物合成ATP的能量轉化為電，其中微生物是生化反應的催化劑。MFC的產電過程通過陽極難降解物(電子供體)的氧化和陰極氧氣(電子受體)的還原實現。然而，作為厭氧生物處理技術之一，MFC難以獲得優良的出水水質，與硝化過程、序批式反應器、生物轉盤、生物接觸氧化等工藝結合，甚至將MFC置於活性汙泥法的曝氣池中，可改善MFC出水水質，但上述過程均無法有效去除系統出水中的懸浮物，難以回用。
[0003]難生物降解有機廢水的水質具有如下特點:(I)水質複雜，副產物多，反應原料常為溶劑類物質或環狀結構的化合物，增加了廢水的處理難度；(2)廢水中由於原料反應不完全和原料或生產中使用的大量溶劑介質進入了廢水體系，導致COD和BOD5濃度高；(3)有毒有害物質多，許多難降解汙染物對微生物是有毒有害的，如滷素化合物、硝基化合物、具有殺菌作用的分散劑或表面活性劑等，其中多數已被列入我國和美國EPA環境優先控制汙染物的黑名單中:(4)廢水色度高；(5)含鹽量高。常見`的鹽主要為氯化物、硫酸鹽和磷酸鹽等:(6)微生物需要的營養元素比例嚴重失調，除含氮高以外，其中的難降解物多為難生物降解、毒害性化合物，且磷元素較為缺乏；(7)水質變化大，可生化性差，相對分子量大的難降解物佔優勢，B0D/C0D值很低，接近或低於0.1。
[0004]縱觀國內外針對難降解有機廢水的處理技術研究和工程實踐，可以發現主要存在以下幾個問題:(I)常規方法處理廢水的效率不高，有些毒害性化合物難以去除，出水不能真正達到排放標準；(2) —些特殊工藝或設備投資較大，處理廢水的成本較高，難以推廣應用；(3)系統較為複雜，運行操作要求較高，穩定性有待改善。
[0005]本發明以難降解有機廢水為處理對象，提出了耦合MFC(厭氧生物技術)的MBR(好氧生物技術)處理難降解有機廢水新技術，該技術具有如下優勢:①預處理單元可將有機廢水中的難降解有機物轉化為易生物降解的小分子有機物，提高後續生物處理單元的處理效果。②有機廢水中大部分難降解有機物在MFC陽極發生氧化反應(反應式I)，產生的電子經由陽極和外電路傳遞到MFC陰極，回收的電能可用於補償MBR的高運行成本。③MFC陽極氧化產生的質子隨水流穿越缺氧單元到達MBR好氧單元(即MFC陰極室)，與電子和氧氣結合生成水(反應式2)，消除了普通MFC陽極易酸化、反饋抑制產電微生物活性問題。④MFC陽極氧化後的剩餘難降解物也隨水流穿越缺氧單元到達MBR好氧單元，進一步好氧礦化去除(反應式3)，MBR膜過濾出水水質良好。⑤缺氧單元使硝化反硝化反應得以發生，同時膜組件可高效攔截硝化反硝化菌，系統脫氮效果好(反應式4-7)。⑥MBR中的膜組件同時用作MFC陰極(亦稱導電微濾膜)，可為MBR膜表面與膜面汙染物間提供靜電斥力，有效緩解膜汙染。
[0006]C6H1206+6H20 — 6C02+24H++24e_ (I)
[0007]4H++02+4e — 2H20 (2)
[0008]C6H1206+602 — 6C02+6H20 (3)
[0009]NH4++1.502 — N02>2H++H20 (4)
[0010]NCV+1.502 — NOf (5)
[0011 ] N02>3H+ — 0.5Ν2+Η20+0H- (6)
[0012]N03>5H+ — 0.5Ν2+Η20+0H- (7)
【發明內容】
[0013]本發明的目的在於發明一種能耗低、出水水質優良的難降解有機廢水回用的方法。
[0014]本發明的技術工藝包括以下幾個步驟:
[0015]1、進水:難降解有機廢水，COD濃度為1000~10000mg/L，氨氮濃度為100~2000mg/L，pH 值為1 ~14，B/C 比小於 0.2 ；
[0016]2、預處理單元:難降解有機廢水首先由進水泵打入預單元進行預處理，水力停留時間(Hydraulic Residence Time, HRT)為12~48h，溫度為15~35°C ;預處理方法包括pH調節、水解酸化、芬頓氧化、電解。
[0017]3、厭氧處理單元:預處理單元出水自流至MFC的陽極室進行厭氧處理，HRT為12~48h,溫度為15~35°C,陽極材料為碳租、碳布、石墨及其改性修飾材料；
[0018]4、缺氧單元:厭氧單元出水自流至缺氧單元，HRT為12~48h，溫度為15~35°C，溶解氧濃度為0.1~1.0mg/L ；
[0019]5、好氧單元:缺氧單元出水自流至MBR好氧單元，即MFC陰極室，HRT為12~24h，溫度為15~35°C，溶解氧濃度為2.0~6.0mg/L，MBR膜組件兼MFC陰極，材料為導電聚合物修飾或製備的不鏽鋼網、無紡布、碳氈、碳布
[0020]6、排放單元:經好氧單元處理後的廢水經MBR出水口、排水泵和管道排出回用。
[0021]本發明的優點
[0022]1、預處理單元可使廢水中的大部分有毒化合物轉化為小分子有機物，降低C0D，從而提高廢水的可生化性，同時，將PH值調節為中性；
[0023]2、有機廢水中大部分難降解物在MFC陽極室發生厭氧氧化反應，產生的電子經由MFC陽極和外電路傳遞到MFC陰極，通過外阻回收其電能並用於補償MBR運行成本；
[0024]3、MFC陽極氧化產生的質子隨水流穿越缺氧單元到達MBR好氧單元(即MFC陰極室)，與電子和氧氣結合生成水，消除了普通MFC陽極易酸化、反饋抑制產電微生物活性的問題；
[0025]4、MFC陽極氧化後的剩餘難降解物也隨水流穿越缺氧單元到達MBR好氧單元，進一步好氧礦化去除；
[0026]5、缺氧單元的存在使得硝化反硝化反應得以發生，同時膜組件可高效攔截硝化反硝化菌，系統脫氮效果好；
[0027]6、MBR中的膜組件同時用作MFC陰極(亦稱導電微濾膜)，可為MBR膜表面與膜面汙染物間提供靜電斥力，有效緩解膜汙染；
[0028]7、與傳統處理工藝相比，噸有機廢水處理能耗降低40%~70%，系統COD和氨氮去除率均為92.0%~99.5%，出水水質符合我國城鎮汙水處理廠汙染物排放標準(GB18918-2002)中的一級A標準和行業內回用要求。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0029]圖1為本發明的工藝流程圖。
【具體實施方式】
[0030]實施例1:MFC陽極採用碳氈，MBR膜組件採用石墨烯+聚偏氟乙烯修飾無紡布。系統進水水質如下:C0D濃度為1000mg/L，氨氮100mg/L，pH值為8，B/C比為0.2 ;預處理採用水解酸化法，HRT為12h ;厭氧單元的HRT為8h ;缺氧單元HRT為10h，溶解氧濃度為0.2mg/L ;好氧單元的HRT為6h，溶解氧濃度為4.0mg/L ;溫度為25°C。
[0031]實施例2 =MFC陽極採用碳布，MBR膜組件採用聚苯胺修飾不鏽鋼網。系統進水水質如下:C0D濃度為5000mg/L，氨氮1000mg/L，pH值為3，B/C比為0.1 ;預處理採用芬頓氧化法，HRT為0.5h，調節pH值至7.0 ;厭氧`單元的HRT為24h ;缺氧單元HRT為12h，溶解氧濃度為0.5mg/L ;好氧單元的HRT為8h，溶解氧濃度為2.0mg/L ;溫度為30°C。
[0032]實施例3 =MFC陽極採用石墨，MBR膜組件採用石墨烯修飾碳布。系統進水水質如下:C0D濃度為10000mg/L，氨氮2000mg/L, pH值為12，B/C比為0.1 ;預處理採用電解法，HRT為0.5h，調節pH值至7.0 ;厭氧單元的HRT為30h ;缺氧單元HRT為20h，溶解氧濃度為
0.lmg/L ;好氧單元的HRT為12h，溶解氧濃度為6.0mg/L ;溫度為35°C。
【權利要求】
1.一種低能耗難降解有機廢水回用的方法，其特徵在於: (1)進水:難降解有機廢水，COD濃度為1000~10000mg/L，氨氮濃度為100~2000mg/L, pH值為I~14，B/C比小於0.2 ； (2)預處理單元:難降解有機廢水首先由進水泵打入預單元進行預處理，水力停留時間(Hydraulic Residence Time, HRT)為 12 ~48h,溫度為 15 ~35°C,預處理方法包括 pH調節、水解酸化、芬頓氧化、電解。 (3)厭氧處理單元:預處理單元出水自流至微生物燃料電池(MicrobialFuel Cell,MFC)的陽極室進行厭氧處理，HRT為12~48h，溫度為15~35°C，陽極材料為碳氈、碳布、石墨及其改性修飾材料； (4)缺氧單元:厭氧單元出水自流至缺氧單元，HRT為12~48h，溫度為15~35°C，溶解氧濃度為0.1~1.0mg/L ； (5)好氧單元:缺氧單元 出水自流至膜生物反應器(MembraneBioreactor, MBR)好氧單元，即MFC陰極室，HRT為12~24h，溫度為15~35°C，溶解氧濃度為2.0~6.0mg/L,MBR膜組件兼MFC陰極，材料為導電聚合物修飾的不鏽鋼網、無紡布、碳氈、碳布； (6)排水單元:經好氧單元處理後的廢水經MBR出水口、排水泵和管道排出回用。
2.根據權利要求1所述的一種低能耗難降解有機廢水回用的方法，其特徵在於:廢水中的有機物在MFC陽極氧化產生的質子隨水流穿越缺氧單元到達MBR好氧單元(即MFC陰極室)，與電子和氧氣結合生成水，消除了普通MFC陽極易酸化、反饋抑制產電微生物活性的問題。
3.根據權利要求1所述的一種低能耗難降解有機廢水回用的方法，其特徵在於:MFC陽極氧化後的剩餘有機物也隨水流穿越缺氧單元到達MBR好氧單元，進一步好氧礦化去除。
4.根據權利要求1所述的一種低能耗難降解有機廢水回用的方法，其特徵在於:缺氧單元使得硝化和反硝化反應得以發生，同時MBR膜組件可高效攔截硝化反硝化菌，系統脫氣效果好。
5.根據權利要求1所述的一種低能耗難降解有機廢水回用的方法，其特徵在於氧單元中的膜組件同時用作MFC陰極(亦稱導電微濾膜)，可為MBR膜表面與膜面汙染物間提供靜電斥力，有效緩解膜汙染。
【文檔編號】C02F9/14GK103739161SQ201310732732
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年12月26日 優先權日:2013年12月26日
【發明者】李秀芬, 遊曉偉, 王新華, 任月萍 申請人:江南大學