本发明专利技术属于造纸废水处理领域，涉及一种利用生物电化学系统处理废纸造纸废水的方法。反应系统包括：阳极室、阴极室、质子交换膜、外电路，此外还包括污泥驯化罐、营养液储备罐等。本发明专利技术针对废纸造纸废水pH范围宽广的特点，分别驯化能够在酸性、中性及碱性环境下处理废纸造纸废水的功能微生物，以此为基础，采用生物电化学方法利用微生物的电子传递能力推动废水中有机物的降解过程，提高废水处理效率，并实现同步产电。本发明专利技术操作简便，成本较低，无二次污染，适用于pH范围较广的废纸造纸废水，尤其适于处理最常见的碱性废纸造纸废水。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于造纸废水处理领域，涉及一种用生物电化学系统处理pH范围宽广的废纸造纸废水并同步产电的方法。
技术介绍
随着造纸业的发展，造纸纤维出现短缺，基于环境保护、资源再利用、经济效益等多方面的考虑，世界上普遍将废纸作为造纸的原材料之一。2014年我国废纸浆用量高达6189万t，占纸浆消耗总量的65%。废纸回用过程中会产生大量的废水，这些废水中含有木质素、纤维素、半纤维素降解产物以及细小纤维、胶料等多种污染物质。目前处理废纸造纸废水的方法主要有物理法、化学法及生物法。物理法、化学法处理废纸造纸废水通常成本较高；生物法处理废纸造纸废水成本较低，但是存在耗时长、二次污染等问题。此外，由于制浆造纸工艺不同，废纸造纸废水的pH值不同，应用传统方法处理废纸造纸废水通常要对废水的pH值进行预调节，以达到处理方法对来水水质的pH要求，会增加处理成本。生物电化学系统是一种将生物技术与电化学方法耦合处理废水的废水处理新技术，它能够利用微生物的作用将有机物中的化学能转化成电能，在处理废水的同时实现同步产电。本专利技术针对废纸造纸废水pH范围宽广的特点，驯化适应不同pH环境的功能微生物，并以此为基础，采用生物电化学方法利用微生物的电子传递能力推动废水中有机物的降解过程，提高废水处理效率。
技术实现思路
本专利技术以废纸造纸废水和生物电化学系统为基础，目的在于提供一种利用生物电化学系统处理pH范围较广的废纸造纸废水并同步产电的方法，采用以下技术方案:按照附图1安装生物电化学系统。生物电化学系统包括:阳极室(A)、阴极室(B)、阳极⑴、生物膜(2)、阴极⑶、质子交换膜(9)、外载(6)、橡胶塞(5)和取样口(4和7)，此夕卜，还包括营养液储备罐(C)、污泥驯化罐(D)、搅拌装置(3)等。阳极室(A)和阴极室(B)的大小和形状一致，质子交换膜(9)将二者隔开。阳极室(A)和阴极室(B)上方均开有取样口(4和7)。阳极⑴和阴极⑶之间用钛丝、导线和外载(6)连接形成回路。取纸厂废纸造纸废水采用序批式培养方法驯化厌氧污泥，有机物去除率稳定时认为污泥初步驯化成熟；然后在三个pH梯度(4.0、6.0和8.0)条件下，将污泥进行再次驯化，分别驯化出能够在酸性、中性及碱性条件下处理废纸造纸废水的功能微生物，驯化温度恒定为27 °C。污泥驯化成熟后，根据废纸造纸废水的pH值，将耐酸/中性/耐碱的污泥接种于阳极室(A)(接种量为10% )，与废纸造纸废水、营养盐一起组成阳极溶液；浓度均为50mmol/L的铁氰化钾和磷酸氢二钾配制成阴极溶液。阳极室(A)内废纸造纸废水中的有机物在微生物的作用下得到降解，并释放出电子和质子，产生的电子通过直接和间接电子传递过程到达阳极(1)，随后通过外电路传递到阴极(8)，产生外电流。这一微生物的电子传递能够促进废纸造纸废水中有机物的降解过程。阳极(1)和阴极(8)均为厚度0.5cm的碳毡，质子交换膜(9)的厚度(湿态)为0.3mm,爆破强度为0.5MPa，膜面电阻为3.5 Ω.cm2。营养液储备罐(C)内装有50倍浓度的营养盐母液，用于污泥驯化罐(D)及阳极室(A)中营养盐的供给。污泥驯化罐(D)内使用搅拌装置(3)进行均匀搅拌，使污泥与营养液充分混合。【附图说明】图1为本专利技术所述的生物电化学系统装置图。图中标示:A-阳极室，B-阴极室，C-营养液储备罐，D-污泥驯化罐，1-阳极，2-生物膜，3_搅拌装置，4-阳极室取样口，5-橡胶塞，6-外载，7-阴极室取样口，8-阴极，9-质子交换膜。图2为水力停留时间为72h时，不同pH体系的产电功率密度和废水0?&去除率。图3为不同pH体系中功率密度和输出电压随电流的变化曲线。【具体实施方式】实施方式一:污泥驯化取纸厂废纸造纸废水采用序批式培养方法驯化厌氧污泥，待有机物去除率稳定时认为污泥初步驯化成熟；然后用lmol/L氢氧化钠或盐酸调节pH值，在三个pH梯度(4.0、6.0和8.0)下，将污泥进行再次驯化，分别驯化出能够在酸性、中性及碱性条件下处理废纸造纸废水的功能微生物。驯化温度恒定为27°C，驯化过程中所用的营养盐成分(/L):0.42gΚΗ2Ρ04，0.375g Κ2ΗΡ04.3Η20，0.3g NaCl，0.244g NH4Cl，0.03g MgS04.7H20，0.03g CaCl2，lmL微量元素溶液；其中微量元素溶液的组分(/L):5.0g FeCl3.6H20，5.0g CoCl2.6H20，2.5g EDTA，1.25g MnS04.Η20，0.25g (NH4) 6Mo7024.4Η20，0.125g H3B03，0.125g ZnCl2，0.075gCuS04*5H20o营养液是先配制50倍浓度的母液置于营养液储备罐(C)中，然后根据反应液体积确定母液的添加量。实施方式二:装置安装按照附图1所示示意图安装生物电化学系统:阳极室(A)和阴极室(B)之间用质子交换膜(9)隔开。阳极(1)和阴极(8)之间用钛丝、导线和1000 Ω的外载(6)连接形成回路，产生的电压使用数据采集卡进行实时监测，数据采集间隔为lmin。阳极室(A)和阴极室(B)的体积均为1500mL，阳极(1)和阴极(8)均使用厚度为0.5cm的碳毡，面积为40cm2。质子交换膜(9)的厚度(湿态)为0.3mm，爆破强度为0.5MPa，膜面积为lOcmX 10cm。实施方式三:装置运行反应装置安装完成后，根据废纸造纸废水的pH值，将驯化成熟的耐酸/中性/耐碱的污泥接种于阳极室(A)(污泥接种量为10% )，与废纸造纸废水、营养液一起组成阳极溶液，浓度均为50mmol/L的铁氰化钾和磷酸氢二钾配制成阴极溶液加入阴极室(B)。阳极室(A)中废纸造纸废水的初始C0D&浓度为1000mg/L，初始pH值分别为4.0、6.0和8.0，经72h处理后，废水中0?&的去除率分别为26.9、74.0和77.2% (图2)，产电功率密度分别为42.5、102.9和111.lmW/m2，无外载的开路反应器中废水COD&的去除率分别为20.0、48.2和50.0%。说明由于微生物的电子传递作用，阳极(1)和阴极(8)之间连接1000 Ω的外载(6)形成闭合回路能够促进废水中有机物的降解过程。通过改变外电阻(10000?20Ω)测试不同pH体系中功率密度和输出电压随电流的变化(图3)，废水初始pH值为4.0、6.0和8.0的体系获得的最大功率密度分别为79.4、600.4和661.9mW/m2。综合有机物去除及产电情况可知，使用生物电化学系统能够有效处理pH范围较广的废纸造纸废水，且更适于处理最常见的碱性废纸造纸废水。初始pH值分别为4.0、6.0和8.0的废纸造纸废水，经72h的处理后pH值分别变为4.9、6.8和7.2，说明废水的pH值均向中性pH移动，这一变化趋势有利于处理后废水的排放。【主权项】1.，其特征在于它的步骤如下: (1)针对废纸造纸废水pH范围宽广的特点，在三个pH梯度(4.0,6.0和8.0)条件下，取纸厂废纸造纸废水驯化厌氧污泥，分别驯化出能够在酸性、中性及碱性条件下处理废纸造纸废水的功能微生物，驯化温度恒定为27°C ; (2)污泥驯化成熟本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种利用生物电化学系统处理废纸造纸废水的方法，其特征在于它的步骤如下：(1)针对废纸造纸废水pH范围宽广的特点，在三个pH梯度(4.0、6.0和8.0)条件下，取纸厂废纸造纸废水驯化厌氧污泥，分别驯化出能够在酸性、中性及碱性条件下处理废纸造纸废水的功能微生物，驯化温度恒定为27℃；(2)污泥驯化成熟后，根据废纸造纸废水的pH值，将耐酸/中性/耐碱的污泥接种于阳极室，与废纸造纸废水、营养盐一起组成阳极溶液，阴极溶液由铁氰化钾和磷酸氢二钾组成；(3)废纸造纸废水中的有机物在微生物的作用下得到降解，同时释放出电子和质子，产生的电子通过直接和间接电子传递过程到达阳极，随后通过外电路传递到阴极，从而产生外电流。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：梁方圆，冯文英，苏振华，张羽，
申请(专利权)人：中国制浆造纸研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11
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