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清洁技术
隔膜式电解槽生物膜阴极降解苯酚的过程及其条件的优化
佚名
2021/1/25
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隔膜式电解槽生物膜阴极降解苯酚的过程及其条件的优化

 

苯酚是造纸、炼焦、炼油、塑料和纺织等工业废水中的一种常见的有机污染物.目前,工业废水中

苯酚的去除方法有微生物降解、萃取、活性炭吸附和化学氧化法等.Thomas等[1]采用生物法降解苯

酚,虽然苯酚在一定条件下得到了降解,但是该方法预处理要求高,并且当降解出毒性较大的有机物

时,降解效果不理想.如何采取更有效的方法减少苯酚的污染,越来越受到人们的重视[2].

生物膜电极法是结合了生物膜法和电化学法的优点发展起来的一种新的水处理方法.该法采用固定化技术将微生物固定在电极表面,形成一层生物膜,然后在低压直流电的作用下使污染物在生物和电化学的双重作用下得到降解[3,4].大多数文献报道主要将生物膜电极应用于反硝化过程,Sakakiba等[5]采用分隔式生物膜反应器对地下水和饮用水中的NO-3进行处理.Flora等[6]采用阴极与阳极同在一个反应器中的筒型电极生物膜反应器,对地下水和饮用水中的NO-3进行处理.大家也应用生物膜电极法对对氨基二甲基苯胺[7,8]进行了成功的处理.但是上述的生物膜电极方法仅用于含氮污染物的处理.

本文研究了生物膜电极方法对苯酚废水的降解处理,探索了苯酚废水在不同反应器中的处理效果,以及不同环境对于生物膜阴极降解苯酚的影响.

1实验部分

1.1试剂与仪器

化学需氧量(COD)按重铬酸钾标准方法(GB-11914-89),用化学需氧量分析仪(上海精密仪器有

限企业COD-571型)测定;苯酚的浓度采用HPLC分析检测(日本岛津高效液相色谱仪LC10AVP,150

mm×4畅6mmC18反相柱,流动相采用体积分数为25%甲醇+75%缓冲溶液(0畅05mol/LNa2HPO4+

0畅05mol/LNaH2PO4,pH7),流速为1畅2mL/min,柱温为40℃.pH值采用PHS-25型数显酸度计测量(上海虹益仪器仪表有限企业).恒温水浴锅(上海树立仪器仪表有限企业).

采用模拟的苯酚废水:苯酚0畅1g/L,(NH4)2SO40畅7g/L,MgSO40畅03g/L,无水CaCl20畅03g/L,K2HPO40畅08g/L和NaH2PO40畅2g/L,pH=6畅5~7畅5.

1.2实验装置

Scheme1为不同反应器中模拟苯酚废水的实验装置图.实验中的Ti电极购于宝鸡宝冶钛镍制造

有限责任企业,用质量分数为10%的盐酸处理,以去除表面的氧化物质.Ti/PbO2电极由Ti电极在

0畅5mol/LPb(NO3)2+0畅05mol/LNaF的0畅1mol/LHNO3水溶液的镀液电沉积制备而成,制备过程

参见文献[9].Ti电极和Ti/PbO2电极的面积均为9cm2,厚度为1mm.隔膜式电解槽所使用的隔膜为

国产CM-001质子交换膜.每个反应器中添加的模拟苯酚溶液体积均为120mL.

1.3实验过程

将从吉林省通化钢铁厂的活性污泥中提取出来的苯酚高效降解菌接种到有隔膜的电解槽的阴极

中[1],在电解槽中装入以100mg/L苯酚作为唯一碳源的培养基,通以5mA的电流,每3d测一次苯

酚的浓度,待苯酚分解完后,再加入同等量的苯酚.培养14d后,降解苯酚的生物膜电极形成[10].

在生物膜形成之后,在不同的反应器中用不同的方法对苯酚进行降解实验.在相同电流以及相同

苯酚初始浓度下,测定不同时间下苯酚的浓度以及COD值.而对于隔膜式电解槽生物膜阴极区域,还

考察了不同时间、初始苯酚浓度以及温度对苯酚降解效果的影响.

2结果与讨论

2.1不同反应器中苯酚的降解效果

由图1可见,在相同电流以及初始浓度下,在生物膜阴极和Ti/PbO2阳极的混合式反应器中,苯

酚的降解速率最快,降解效果最好,到10h时苯酚的质量浓度由100mg/L降解到0(图1曲线e).原因可能是在生物膜阴极和Ti/PbO2阳极相混合的混合式反应器中,可以同时利用阳极氧化作用以及阴极生物膜的微生物作用对苯酚进行降解,是电化学与微生物共同作用的结果.

2.2不同反应器中的COD值

在不同的反应器中,加入100mg/L的苯酚原样(COD值为278mg/L),取反应16h后的苯酚降解物进行COD值测试.实验结果发现,对于隔膜式电解槽,当阴极(生物膜)电流为5mA时,反应16h后的COD值为55mg/L,去除率为80%(见图2),与其它反应器相比较可发现,在生物膜阴极与阳极相混合的反应器中苯酚的降解效果最好,但这与COD测试结果不一致.这说明在隔膜式电解槽阴极区域,苯酚的降解过程与在生物膜阴极与阳极相混合的反应器中和隔膜式电解槽阳极区域的降解过程均不完全相同,这也导致COD值在反应16h后的不同[5].2.3隔膜式电解槽生物膜电极降解苯酚的条件优化

2.3.1不同电流对生物膜电极降解苯酚效率的影响由图3可以看到,在反应16h后,当电流处于2

和5mA时苯酚的降解率均为100%,但是在2mA作用下经过16h以后,细菌在电极表面的脱落情况比较严重,不利于进行连续的苯酚降解试验,故选择5mA电流.当电流继续增大时,苯酚的降解率随

之减少,但可以发现在电极表面电解水产生的氢反而明显增多,所以过分地增大电流,反而对降解苯

酚有一定的抑制作用.

2.3.2不同初始浓度对苯酚降解效率的影响

由图4可看到,在苯酚初始质量浓度低于200mg/L时,苯酚的降解率随着苯酚初始质量浓度的增加而增加.但当苯酚初始质量浓度大于200mg/L时,苯酚的降解率却逐渐减小.这可能是由于高浓度的苯酚对细胞有一定的毒害作用,即苯酚量的加大抑制了菌株生长和对苯酚的降解[1].

2.3.3不同温度对苯酚降解效率的影响

从图5中可以看到,在隔膜式电解槽生物膜阴极区域中,苯酚在35℃时降解效果最好.这是因为尽管苯酚高效降解菌能在4~40℃范围内生长,但最适温度为35℃,低于或高于35℃,均对菌株生长不利[1].菌株的生长没有处于最佳状态,所以其对苯酚的降解也就不能达到最好效果.

3结论

采用生物膜阴极与阳极相混合的混合式反应器降解苯酚,其苯酚的去除效果最好,但是COD的去除率并不理想.而采用隔膜式电解槽生物膜阴极区对苯酚废水进行处理,其苯酚的去除效果虽然没有生物膜阴极与阳极相混合的混合式反应器处理效果好,但18h后苯酚浓度也降解到0,并且其COD的去除率最高,反应16h时COD的去除率达到80%.所以采用隔膜式电解槽生物膜阴极区降解苯酚废水的方法,是众多降解苯酚废水方法中处理效果最好的.对生物膜阴极区域降解苯酚废水的实验条件进行优化后得到:电流为5mA,初始苯酚质量浓度低于200mg/L,在35℃下苯酚的降解效率最好.

              

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