一种厌氧流化床微生物燃料电池处理煤化工废水的方法与流程

技术领域：

本发明属于污水处理技术领域，特别涉及一种厌氧流化床微生物燃料电池处理煤化工废水的方法，可以在处理煤化工废水中有机污染物的同时获得电能。

背景技术：
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煤化工废水排放量大、水质复杂，含有大量酚、多环芳香族化合物、杂环化合物以及氰、焦油、氨氮等有毒、有害物质，是一种典型的含有难降解有机化合物的工业废水。近年来，国内不断有新的方法用于煤化工废水的处理，但各有利弊。单纯的生化法出水中含有一定量的难降解有机物，cod值偏高，不能完全达到排放标准。吸附法虽能较好地除去cod，但存在吸附剂的再生和二次污染的问题。催化氧化法虽能降解难以生物降解的有机物，但实际的工业应用中存在运行费用高等问题。a²/o工艺运行管理和成本相对较低，该工艺是目前处理煤化工废水的主要选用工艺。但目前还没有哪一种工艺可以完全处理好煤化工废水，所以利用多种方法联合处理煤化工废水是煤化工废水处理技术的发展方向。

新兴的微生物燃料电池(mfc)是一种利用产电微生物作为阳极催化剂将有机底物中储存的化学能直接转化成电能的生物反应器。虽然它兼有污染物去除与产电等优点，但也存在一些问题：1)质子交换膜的成本较高，无法实现大规模工业应用；2)以铁氰化钾、高锰酸钾等化学氧化剂作为电子受体，存在二次污染和再生问题，不利于实际应用；3)mfc体系内微生物分布不均，传质效率低。厌氧流化床是一种以生物膜法为基础的高效废水处理工艺。它利用大比表面积的物质为载体，厌氧微生物以生物膜的形式附着在载体表面，与被处理的介质充分接触，促进了传质。厌氧生物流化床反应器处理污水浓度范围广，既可以处理高浓度的有机废水，也可以处理中、低浓度的有机废水，尤其适用于处理氮磷缺乏的工业废水。

技术实现要素：
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本发明的目的是提供一种利用厌氧流化床微生物燃料电池处理煤化工废水的方法，该方法操作条件温和、易于实施、产物无二次污染、成本低且效率高。

本发明利用厌氧流化床微生物燃料电池处理煤化工废水的方法按下列步骤实现：

(1)得到厌氧活性污泥：在厌氧的条件下，将城市水处理厂厌氧消化池中的剩余污泥经微生物培养液活化后，用低浓度的煤化工废水进行梯度驯化，操作温度为30～35℃。

(2)启动微生物燃料电池：将所述活性污泥接种到微生物燃料电池内，并注入稀释后的煤化工废水；流化床内填充粒度为0.45～0.9mm的椰壳活性炭；在温度为35～40℃，外加电阻为5000ω条件下启动；当电压低于50mv时，更换阳极液；待电池输出电压值较高且出现小的波动后基本稳定，即微生物燃料电池启动完成，活性炭上附着生物膜。

(3)厌氧流化床微生物燃料电池处理煤化工废水：利用蠕动泵将煤化工废水从流化床底部注入上述已启动的微生物燃料电池内，经微生物处理后，从流化床上部溢流至水槽；通过蠕动泵转速调节废水循环流量为200～330ml/min，同时保证流化床内活性炭流化效果良好。定时采样检测废水中的化学需氧量cod，每隔30min记录电池的输出电压。

所述方法中，接种活性污泥的浓度选择为10000～12000mg/l；厌氧流化床内活性炭的填充高度为7cm；微生物燃料电池启动时的反应温度为37℃。厌氧流化床微生物燃料电池在启动和处理煤化工废水时，阳极室均保持厌氧环境。

所述方法中，低浓度的煤化工废水cod在300～1500mg/l之间。通过稀释调节煤化工废水cod为300～800mg/l，逐渐增加稀释后的煤化工废水浓度，对厌氧污泥进行梯度驯化。

所述方法中，启动厌氧流化床微生物燃料电池时，更换阳极液过程中逐渐增加阳极液的浓度，在活性炭挂膜过程的同时，对厌氧活性污泥进行梯度驯化。

所述方法中，阳极更换液浓度为800～1500mg/l(以化学需氧量cod计)。

本发明在处理煤化工废水过程中，附着在阳极表面和活性炭上的微生物代谢分解有机污染物并释放出电子；电子在生物组分与阳极之间传递，并通过外电路传递到阴极形成电流。煤化工废水中的有机污染物被微生分解的同时输出电能，达到了较好的环境污染处理和资源化的效果。

本发明的优点是：方法简单、成本低、效率高、产物无二次污染，cod去除率较高，适于大规模推广与应用。

附图说明：

图1为单室微生物燃料电池的结构示意图。

图中：1-污水入口、2-预分布室、3-液体分布板、4-流化床体、4-ⅰ反应区、4-ⅱ膨胀区、5-污水出口、6-ⅰ-阳极电极插孔、6-ⅱ-阴极电极插孔、7-蠕动泵、8-恒温水槽、9-椰壳活性炭、10-阳极、11-空气阴极、12-电阻、13-数据采集卡、14-显示系统。

图2为微生物燃料电池处理煤化工废水时cod的去除效果。

图3为微生物燃料电池处理煤化工废水时的产电特性。

具体实施方式：

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例：

一种利用厌氧流化床微生物燃料电池处理煤化工废水的方法，该厌氧流化床微生物燃料电池结构如图1所示，包括污水入口1、预分布室2、液体分布板3、流化床体4、污水出口5、阳极电极插孔6-ⅰ、阴极电极插孔6-ⅱ、蠕动泵7、恒温水槽8、椰壳活性炭9、阳极10、空气阴极11、电阻12、数据采集卡13、显示系统14。厌氧流化床主体4为圆筒结构，分为反应区4-ⅰ和膨胀区4-ⅱ，反应区内填充粒径为0.45～0.9mm的椰壳活性炭9。膨胀区顶部和阴极处分别设有电极插孔6-ⅰ和6-ⅱ，将阳极10和阴极11分别与外电阻12、数据采集卡13和显示系统14连接；阳极和阴极通过导线从电极插孔密封引出。上述阳极为碳棒；阴极由nafion膜和载铂碳纸热压复合而成。

本实施例厌氧流化床微生物燃料电池处理煤化工废水的方法按以下步骤实施：(1)得到厌氧活性污泥：厌氧污泥取自城市一次水处理厂厌氧消化池中的剩余污泥；在厌氧条件下经微生物培养液活化4天，每2天更换培养液；然后用低浓度的煤化工废水进行梯度驯化12天，每2天更换一次废水；驯化过程中的操作温度为30～35℃。(2)启动微生物燃料电池：将稀释后煤化工废水注入水槽内，接种所述的活性污泥，接种污泥浓度为10000～12000mg/l；厌氧流化床内填充粒度为0.45～0.9mm的椰壳活性炭；在温度为35～40℃，外加电阻为5000ω条件下，利用活性污泥中的微生物启动微生物燃料电池；当电压低于50mv时，更换阳极液；待电池输出电压值较高且出现小的波动后基本稳定，即微生物燃料电池启动完成，活性炭上附着生物膜。(3)厌氧流化床微生物燃料电池处理煤化工废水：利用蠕动泵将煤化工废水从流化床底部注入上述已启动的微生物燃料电池内，经微生物处理后，从流化床上部溢流至水槽；煤化工废水通过蠕动泵循环，底物不断被微生物代谢消耗，实现有机污染物降解的同时产电；定时采样检测废水中的化学需氧量cod；记录电池的输出电压，测定微生物燃料电池的产电性能。

步骤1的活化污泥过程受温度影响较大，适宜的培养温度使微生物以最快的生长速率生长和繁殖。温度过高或过低时，均会导致微生物的生长速率变慢，活化效果变差。因此，为保证微生物以最快的生长速率生长，驯化过程应保证环境温度在30～35℃。经本实施方式方法驯化后的微生物代谢作用强，处理后的煤化工废水的cod小于270mg/l。

步骤2的启动过程更换阳极液时，逐渐增加阳极液中间甲酚的浓度，在活性炭挂膜过程的同时，对厌氧活性污泥进行梯度驯化。

步骤2的启动过程受外电阻影响较大，外电阻越大，启动完成后的输出功率越低，煤化工废水中的有机污染物降解效果越差。因此，为保证微生物燃料电池的产电性能和处理煤化工废水效果良好，启动过程应保证外电阻在5000ω。经本实施方式方法处理后煤化工废水的cod去除率达88.1％，微生物燃料电池最大功率密度为228.2mw·m²。

煤化工废水的水质随生产的变化而波动较大，煤化工综合废水的cod在5000mg/l左右。为了验证本发明方法对煤化工废水的处理效果，本实施方式方法中进水的cod负荷为2238mg/l，在步骤3中反应温度控制在37℃，外电阻为5000ω(结果见图2和图3)。从图2可以看出，微生物燃料电池经过3天对煤化工废水cod的去除率达到88.1％，处理效果优良。从图3可以看出，微生物燃料电池最大功率密度达228.2mw·m²，产电效果良好。本发明对煤化工废水中有机污染物具有良好的去除效果，同时向外输出电能，是一种高效的、无污染的处理煤化工废水的新方法。