申请日2013.06.27
公开(公告)日2013.09.25
IPC分类号C02F3/34; C02F3/30
摘要
本发明提供一种阴阳极同步电催化硫酸盐废水生物处理的方法，该方法包括如下具体步骤：(1)构建电催化生物反应器，包括阴极反应区、缓冲区和阳极反应区;(2)在阴极反应区内接种硫酸盐还原菌混合菌种，通入培养基，通电驯化，28～34℃下培养3～5天，实现硫酸盐还原菌阴极挂膜;(3)在阳极反应区内接种硫氧化细菌，通入培养基，25～30℃下培养5～7天;(4)启动反应器，将硫酸盐废水通入反应器阴极反应区，经缓冲区流入阳极反应区后，流出反应器。该方法在提高硫酸盐还原菌还原SO42-还原速度的同时，实现对S2-氧化过程的调控，从而提高废水生物代谢产生S的回收率。
权利要求书
1.一种阴阳极同步电催化硫酸盐废水生物处理的方法，该方法包括如下具体步骤：
(1)构建电催化生物反应器，包括阴极反应区、缓冲区和阳极反应区;
(2)在阴极反应区内接种硫酸盐还原菌为主、兼性厌氧菌为辅的混合菌种，通入培养基，通电驯化，通电电压为100～300mV直流电，培养温度为28～34℃，培养时间为3～5天，实现硫酸盐还原菌阴极挂膜;
(3)在阳极反应区内接种硫氧化细菌，间歇加入培养基，培养温度为25～30℃，培养时间为5～7天;
(4)启动反应器，将硫酸盐废水连续通入反应器阴极反应区，再经缓冲区流入阳极反应区后，流出反应器，实现硫酸盐废水的连续生物处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中：所述阴极反应区为厌氧反应区，所述阳极反应区为微氧反应区;所述构建电催化生物反应器还包括在阳极反应区安装参比电极，优选地，所述参比电极为甘汞电极;所述阳极反应区底部安装微孔曝气装置;所述阴极反应区与阳极反应区体积比为7～8：1;所述阴极反应区顶部封闭，所述阳极反应器顶部敞开;所述缓冲区底部设有排泥口，所述阳极反应器底部设有排硫口。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述通入培养基的步骤为将培养基连续通入反应器阴极反应区，经缓冲区后，排出反应器;所述通电驯化步骤为将阳极电极插入缓冲区，并开始通电驯化，所述通电驯化为通入100～300mV的直流电，优选150mV直流电。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述通入培养基的步骤为将培养基间歇加入反应器阳极反应区，每6h更换一次培养基，每次更换培养基体积为阳极反应区体积的70%。
5.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述培养基采用超纯水配置，培养基中成分为:KH2PO40.5g/L、NH4Cl1g/L、CaCl20.06g/L、Na2SO41.5g/L、FeSO4·7H2O0.007g/L、微量元素1ml/L。
6.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述培养基采用超纯水配置，培养基中成分为:KH2PO42g/L、NH4Cl0.4g/L、K2HPO42g/L、Na2S2O35g/L、MgSO4·7H2O0.8g、微量元素1ml/L。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述微量元素采用超纯水配置，微量元素溶液中成分为：FeCl2·4H2O1.5g/L、MnCl2·4H2O0.1g/L、ZnCl20.07g/L、H3BO30.062g/L、Na2MoO4·2H2O0.036g/L、NiCl2·6H2O0.024g/L、CuCl2·2H2O0.017g/L、EDTA0.5g/L、37%HCl8.33ml/L。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中：所述硫酸盐废水在阴极反应区停留时间为12～15h，优选15h;所述阴极反应区温度为28～34℃，优选32℃;所述硫酸盐废水在阳极反应区停留时间为1.5～2.5h，优选2h;所述阳极反应区温度为25～30℃，优选30℃;所述阳极反应区电极电位范围为50～150mv，优选100mv。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的方法，其特征在于，所述废水选自制药废水、矿山废水、味精废水或电镀废水中的一种或多种。
说明书
一种阴阳极同步电催化硫酸盐废水生物处理的方法
技术领域
本发明属于废水处理技术领域，具体涉及利用阴极电场电催化硫酸盐还原菌生长，利用阳极电场控制硫化物的氧化程度的硫酸盐废水 资源化处理的方法。
背景技术
随着工农业的发展，化工、制药、制革、造纸、发酵、食品加工和采矿等领域在生产过程中排放出大量含高浓度硫酸盐的工业废水，对生态环境和人体健康造成了极大的危害。以硫酸盐还原菌(SRB)为主体的微生物脱硫技术是近年来发展起来的污染治理技术，经过多年的研究，生物脱硫技术已经取得了很大进步，但仍存在一些问题尚未解决，形成生物脱硫技术进入产业化的瓶颈。这些问题主要包括：
1、SO42-还原速率不高
理论上，利用硫酸盐还原菌来还原SO42-的速度可以达到42.5kgSO42-/m3d，但在硫酸盐废水的实际处理过程中，SO42-的还原速度通常低于15kg SO42-/m3d，这种过低的SO42-还原处理速度直接导致处理装置的扩大，大大增加了生物脱硫工艺的投资成本，严重影响了该技术的工业化推广进程。
2、S2-选择性氧化的控制
经SO42-生物还原生成的S2-，在生物氧化过程，相对于SO42-还原过程较容易实现。在硫氧化细菌与氧气的作用下，S2-首先会被快速氧化生成S，当体系中溶氧过量时，S则会被进一步氧化成SO42-。为了确保S2-的去除率，需要向体系中提供充足的曝气量。然而过量的氧气会使S2-在被氧化成S后，继续氧化生成SO42-。通过控制反应过程中的曝气量来控制S2-的氧化程度，尽管在理论上可行，但由于废水中S2-浓度的波动性，从而使其实际操作难度大。因此，寻找合适可行的S2-选择性氧化控制方法，在确保S2-去除率的同时，如何控制S2-的氧化程度，确保S2-能选择性氧化成S，而不继续氧化成SO42-，成为S2-选择性氧化工艺研究领域的难点。
近年来，电生物耦合技术在废水处理中的应用越来越广泛。一方 面阴极产生的电子直接传递或通过电解产氢为微生物厌氧呼吸提供电子供体，另一方面合适的电场可促进无机离子的迁移，通过改变生物膜表面的电荷性质，提高生物膜的通透性，从而促进生物体生长。
CN201210091967.6公开了一种利用电场强化硫酸盐还原菌处理重金属的方法。其特征在于在缺乏有机碳的条件下，硫酸盐还原菌以电极作为唯一电子供体生长，通过生物电化学途径，将硫酸盐还原为硫化物，硫化物应用于重金属废水的处理。
电生物耦合技术有望成为生物脱硫技术瓶颈突破的方法。然而目前电生物耦合技术仍有很多问题需要解决，突出问题表现在电能的利用率方面。目前的电生物耦合技术基本都是针对阴极电子，而对于电场阳极往往不加以利用，从而使得电催化过程中的电能利用率不高。
发明内容
针对上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种操作简单的电催化生物处理硫酸盐废水的方法，该方法可实现硫酸盐废水的连续生物处理，在提高硫酸盐还原菌还原SO42-还原速度的同时，实现对S2-氧化过程的控制，从而提高硫酸盐废水的处理效率和生物S的回收率。
本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：
一种阴阳极同步电催化硫酸盐废水生物处理的方法，该方法包括如下具体步骤：
(1)构建电催化生物反应器，包括阴极反应区、缓冲区和阳极反应区;
(2)在阴极反应区内接种硫酸盐还原菌为主、兼性厌氧菌为辅的混合菌群，通入培养基，通电驯化，培养温度为28～34℃，培养时间为3～5天，实现硫酸盐还原菌阴极挂膜和活化;
(3)在阴极反应区内微生物活化的同时，向阳极反应区内接种硫氧化菌为主的好氧菌群，通入培养基，培养温度为25～30℃，培养时间为5～7天;
(4)启动反应器，将硫酸盐废水通入反应器阴极反应区，经缓冲区流入阳极反应区后，流出反应器。
在所述步骤(1)中：
所述阴极反应区为厌氧反应区，所述阳极反应区为微氧反应区;
所述构建电催化生物反应器还包括在阳极反应区安装参比电极，优选地，所述参比电极为甘汞电极;
所述阴极反应区与阳极反应区体积比为7～8：1;
所述阴极反应区顶部封闭，所述阳极反应器顶部敞开;
所述缓冲区底部设有排泥口，所述阳极反应器底部设有排硫口。
在所述步骤(2)中：
所述通入培养基的步骤为将培养基连续通入反应器阴极反应区，经缓冲区后，排出反应器;
所述通电驯化步骤为将阳极电极插入缓冲区，并开始通电驯化，所述通电驯化为通入100～300mV的直流电，优选150mV直流电;
在所述步骤(3)中：
所述通入培养基的步骤为将培养基间歇加入反应器阳极反应区，每6h更换一次培养基，每次更换培养基体积为阳极反应区体积的70%;
在所述步骤(2)中，所述培养基采用超纯水配置，培养基中成分为:由KH2PO40.5g/L、NH4Cl1g/L、CaCl20.06g/L、Na2SO41.5g/L、FeSO4·7H2O0.007g/L、微量元素1ml/L;
在所述步骤(3)中，所述培养基采用超纯水配置，培养基中成分为:KH2PO42g/L、NH4Cl0.4g/L、K2HPO42g/L、Na2S2O35g/L、MgSO4·7H2O0.8g、微量元素1ml/L;
所述微量元素采用超纯水配置，微量元素溶液中成分为：FeCl2·4H2O1.5g/L、MnCl2·4H2O0.1g/L、ZnCl20.07g/L、H3BO30.062g/L、Na2MoO4·2H2O0.036g/L、NiCl2·6H2O0.024g/L、CuCl2·2H2O0.017g/L、EDTA0.5g/L、37%HCl8.33ml/L;
在所述步骤(4)中：
所述硫酸盐废水在阴极反应区停留时间为12～15h，优选15h;
所述阴极反应区温度为28～34℃，优选32℃;
所述硫酸盐废水在阳极反应区停留时间为1.5～2.5h，优选2h;
所述阳极反应区温度为25～30℃，优选30℃;
所述阳极反应区电极电位范围为50～150mv，优选100mv。
在上述方法中，所述废水选自制药废水、矿山废水、味精废水或电 镀废水中的一种或多种。
本发明采用以下步骤处理硫酸盐废水：
(1)构建阴阳极同步电催化生物反应器，包括阴极反应区、缓冲区和阳极反应区，反应器的阴极反应区为厌氧反应区，阳极反应区为微氧反应区，在阳极反应区安装甘汞电极作为参比电极，在反应区底部安装微孔曝气装置;
(2)在反应器启动前，向反应器阴极反应区内，接种硫酸盐还原菌为主、兼性厌氧菌为辅的混合菌种;
(3)配置硫酸盐还原菌培养基，将培养基连续进入反应器阴极反应区，经缓冲区直接排出反应器;
(4)通电驯化阴极反应区微生物，完成硫酸盐还原菌在阴极电极上的挂膜;通电电压为100～300mV的直流电;
(5)向反应器阳极反应区内，接种硫氧化细菌;
(6)配置硫氧化菌培养基间歇加入阳极反应区，活化阳极反应区微生物;
(7)反应器阴阳反应区活化完毕后，将硫酸盐废水连续通入反应器电场阴极反应区，在阴极反应区的停留时间为12～15h，反应区温度控制在28～34℃;
(8)阴极电场强化生物处理后的废水，经缓冲区进入阳极反应区，阳极反应区停留时间为1.5～2.5h，反应区控制温度为25～30℃，反应区阳极电极电位控制在50～150mv之间;
(9)在阳极反应区，阳极电位控制废水中S2-的氧化过程，经阳极反应区处理后的废水，其中硫化物转化为单质硫，单质硫随处理后的废水一起流出反应器，完成废水的处理。
采用本方法处理硫酸盐废水的优点在于：
(1)采用阴极电场强化硫酸盐生物还原，不仅提高硫酸盐还原菌还原SO42-速率，同时可减少废水中电子供体的消耗;
(2)利用阳极电位实现对S2-氧化过程的控制;
(3)将SO42-的还原过程和S2-的氧化过程在一个反应体系中实现;
(4)采用该方法处理硫酸盐废水过程为连续运行过程。