[发明专利]一种协同处理电镀废水和生活污水的无膜生物电化学装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种直接回收废水中可还原态金属的电化学装置，尤其适用于电镀废水的资源化处理。同时适用于生活污水的协同处理。

背景技术

目前，电镀行业废水的处理方法主要分为物理、化学和生物法，广泛采用的方法主要有氧化还原法、蒸发浓缩法、电解法、离子交换法、吸附法、膜分离法等。化学处理方法成熟，效果好，成本低，但是试剂消耗量大，大部分产品需进一步处理方可资源化；物理处理方法污染小，同时也存在耗能大、浪费资源等缺点；生物处理技术是通过生物有机物或其代谢产物与重金属离子的相互作用，达到净化废水的目的，具有成本低、环境效益好等优点。然而，相对于物化系统，传统的生物处理工艺往往需要构建更大的应系统或延长反应周期，致使平均污水处量相应降低。

最近，我们依据生物电化学原理，构建了冶金微生物燃料电池，并成功验证了Cu²⁺被生物电化学还原的可行性。生物电化学系统（Bioelectrochemical System，BES）主要由阴极和阳极组成：阳极微同步生物降解有机物和释放电子，阴极可以接受电子实现重金属离子的还原。据悉，BES系统多数处于实验室研究阶段，其体积为几十至几百毫升不等，几乎完全没有达到实际应用的规模。该系统在电镀废水处理中更是鲜有应用，为数不多的工程报道实例均来自有机废水处理领域，且大部分需要装设昂贵的膜来分离阴、阳极溶液。

发明内容

因O₂在大气中广泛易得并且具有较高的氧化还原电位，通常BES阴极以气态或溶解氧作为电子受体。以气态氧直接作为电子受体可以构建空气阴极BES系统，该系统具有结构简单、功率密度大等优点，但阴极需要以昂贵的金属铂为催化剂，制作成本较高；以溶解氧作为阴极电子受体则需要通过机械曝气维持，消耗大量的电能。金属氧化还原电对的标准电极电势较高，如Cu²⁺/Cu可达0.3419V，且其还原产物金属铜具有较好的导电性，对系统内阻影响小。因此，含Cu²⁺等离子态重金属的废水可选做BES阴极电解液。该系统在去除重金属，回收单质（或低价态重金属沉积物）资源的同时，还可以同步输出电子转移过程中产生的电能。兼具废水处理与产电双重功能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：采用柱形聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethyl Methacrylate， PMMA）材质组合反应器，反应器总体积扩大至16L，达到污水处理中试规模。以生活污水作为阳极基质，提供微生物种源及其生长代谢所需营养；电镀废水作为阴极电解液，富含离子态电子受体。惰性钛丝连接电路，外接可变电阻，采集输出电能，同时调控系统内电流大小，控制氧化态金属离子还原速率。阳极为多孔介质碳毡，采用立体结构以利于微生物附着及所产电子向外传递；阴极为石墨圆盘，便于还原态金属沉积产物的附着和回收利用。两室之间设置PP材料三相分离器，用于收集厌氧产气，同时取代传统离子交换膜，分隔细菌和氧气。各级分离器间留有水路，用于物质传递。

本发明的有益效果是：在放大的体系规模下，可以在降解生活污水中的有机污染物，去除电镀废水中的重金属离子，回收单质或低价沉积物。同时，输出电能，环境友好，能源节约。

附图说明

图1是无膜生物电化学装置设计图，图2是无膜生物电化学装置流程图。

具体实施方式

在图1中，1阳极室和2阴极室为直径150 mm的圆柱体，分别高500 mm和250 mm。阴极室顶端由3端盖密封，防止O₂接受电子，降低金属离子还原效率。反应器所有材料（铆接螺母除外）均为有机玻璃或塑料材质，不得含有金属。4三相分离器为主要部件，由三个漏斗状PP塑料挡板组合而成，顶角60°，彼此间交错组合，其间留有1 cm缝隙用作水路通路。右侧配5出气口（除此外均为出水口）。该分离装置能够充分保证厌氧沼气与溶液分离，并利于物质传递。阳极碳毡尽可能密实地填充阳极室。阴极石墨板分层布设，根据需要阴设置不同级数，开设全、半口引导电镀废水交错流动。6为阴极石墨板电极俯视图（上）和侧视图（下），直径140 mm，厚4 mm，由托槽承托固定。阳极室底部设置7布水板，用于均匀分布进水，由布水板托架固定，下端放空阀可在必要时快速排除泥水混合液。A-A为阴极室顶端法兰俯视图，B-B为托槽俯视图（交错开口），C-C为三相分离器漏斗托架俯视图，D-D为布水板托架俯视图。

在图2中，01阳极室置于底部，中间装配04三相分离器，顶部为02阴极室（最多可装配5个石墨板电极），由03端盖密封，四个单元通过螺母铆接，法兰连接处以橡胶圈密封。生活污水经05蠕动泵流入阳极室前，曝入N₂充分排除溶解氧，以确保产电菌生长所需的厌氧环境。处理后的污水在阳极顶部进行收集；电镀废水由装置顶部注入，阴极室底部（最后一级阴极板下部）流出。阴、阳极电极以钛丝导线外接06可变电阻。07电压数据采集装置由数据采集卡和PC系统组成。系统启动初期，阴极顶部由08气泵鼓入空气，09压力调节阀调控气体流量。