微生物电化学系统处理含硫有机废水及硫回收技术研究

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含硫废水是一类环境污染严重的废水类型,环境风险极大,亟待需要对环境中的含硫废水进行有效的处理,而且单质硫作为一种资源的回收也逐渐受到重视。在含硫酸盐废水的处理工程中,面临着处理成本高、单质硫回收纯度低以及能源消耗大等难点,为了解决以及克服工程技术中的这些难点,有针对的进行分析和探讨,提出一种具有低能源消耗以及处理效果达标并且具有高纯度单质硫回收的技术。从而在工程意义上给出具有建设性的意见以及指导。微生物燃料电池(Microbial fuel cells, MFCs)是一种以微生物为“催化剂”,将底物中的化学能部分转化为电能的装置。通过微生物的催化作用,MFC技术可以使废水中的能量以清洁能源电能的形式回收,因此,MFC技术是集废水处理、资源、能源回收于一体的新型的水处理技术。为实现含硫废水的有效处理和单质硫的有效回收,将MFC和电辅助电化学技术相耦合,探讨了有机含硫废水处理的能源利用最大化和单质硫回收效益。通过在MFC中添加硫酸盐,考察MFC系统添加硫酸盐前后系统内的电压输出、功率密度输出、库伦效率等因素。分析MFC含硫酸盐废水的处理能力和电能转化能力,并根据结果说明MFC处理含硫酸盐废水的意义。实验结果表明:在硫酸盐添加到MFC系统中,系统的库伦效率增加9.6%,硫酸盐在系统中促进了有机物向电能的转化能力。通过检测系统中的硫酸盐可以发现,MFC系统中反应前为7mmol/L的硫酸盐,还原率能达到89.4%,产物为硫化物含量最高为4.2mmol/L。在这一过程中,为硫酸盐污水使用MFC技术进行转化脱除摸索出一组最优化的技术参数。为了实现含硫酸盐废水的硫资源回收以及优化MFC的性能,将MFC出水引入电辅助电化学系统进行处理,实现硫化物到单质硫氧化过程与MFC产电和硫酸盐还原相分离。实验结果表明,碳布电极的单质硫回收率能够达到64.2%,明显优于钛板电极的13%。利用电辅助电化学阳极氧化技术回收单质硫,而利用碳布做电极能够得到更好的单质硫回收率,能够实现含硫废水的资源化、能源化利用。并且利用电化学测量技术与原理,对电化学处理阶段的技术参数进行了合理优化。构建了组合MFC和电辅助电化学系统的微生物能量内循环碳硫去除与单质硫回收综合系统。结果表明:电容充放电时间控制在30min,串联3个电容放电能够得到效果最好单质硫回收率46.2%,硫酸盐去除率达到了89.4%,COD降解率为80.5%。从而开发了结合电容充放电特性的MFC和电辅助电化学反应器耦合技术,这一含硫废水有机能回收利用与硫资源回收提供了新方法。实验中对技术工艺条件进行摸索,通过对停留时间,电路通断时间等参数的优化,将MFC污水处理阶段和电化学污水处理阶段良好的匹配。为了达到最佳的运行及匹配效果,调控个反应阶段的电流密度,分别进行了硫酸盐还原率、硫化物去除率、单质硫回收率以及运行效果耦合的分析。结果表明:MFC最佳硫酸盐还原率的电流密度为1.41A/m~2,电沉积最佳硫化物去除及单质硫回收电流密度为1.50A/m~2,MFC-电沉积耦合的最佳电流密度为1.53A/m~2,因而能够实现很好的匹配。分析了放大后1t含硫酸盐废水处理量的基建及运行费用,结果表明:基建费为14080元,年度运行费用为43862元。
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