專利名稱：一種協(xié)同處理電鍍廢水和生活污水的無膜生物電化學裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種直接回收廢水中可還原態(tài)金屬的電化學裝置，尤其適用于電鍍廢水的資源化處理。同時適用于生活污水的協(xié)同處理。
背景技術：
目前，電鍍行業(yè)廢水的處理方法主要分為物理、化學和生物法，廣泛采用的方法主要有氧化還原法、蒸發(fā)濃縮法、電解法、離子交換法、吸附法、膜分離法等。化學處理方法成熟，效果好，成本低，但是試劑消耗量大，大部分產(chǎn)品需進一步處理方可資源化；物理處理方法污染小，同時也存在耗能大、浪費資源等缺點；生物處理技術是通過生物有機物或其代謝產(chǎn)物與重金屬離子的相互作用，達到凈化廢水的目的，具有成本低、環(huán)境效益好等優(yōu)點。然而，相對于物化系統(tǒng)，傳統(tǒng)的生物處理工藝往往需要構建更大的應系統(tǒng)或延長反應周期，致使平均污水處量相應降低。最近，我們依據(jù)生物電化學原理，構建了冶金微生物燃料電池，并成功驗證了 Cu2+ 被生物電化學還原的可行性。生物電化學系統(tǒng)(Bioelectrochemical System,BES)主要由陰極和陽極組成陽極微同步生物降解有機物和釋放電子，陰極可以接受電子實現(xiàn)重金屬離子的還原。據(jù)悉，BES系統(tǒng)多數(shù)處于實驗室研究階段，其體積為幾十至幾百毫升不等，幾乎完全沒有達到實際應用的規(guī)模。該系統(tǒng)在電鍍廢水處理中更是鮮有應用，為數(shù)不多的工程報道實例均來自有機廢水處理領域，且大部分需要裝設昂貴的膜來分離陰、陽極溶液。

發(fā)明內容
因O2在大氣中廣泛易得并且具有較高的氧化還原電位，通常BES陰極以氣態(tài)或溶解氧作為電子受體。以氣態(tài)氧直接作為電子受體可以構建空氣陰極BES系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有結構簡單、功率密度大等優(yōu)點，但陰極需要以昂貴的金屬鉬為催化劑，制作成本較高；以溶解氧作為陰極電子受體則需要通過機械曝氣維持，消耗大量的電能。金屬氧化還原電對的標準電極電勢較高，如Cu27Cu可達0. 3419V，且其還原產(chǎn)物金屬銅具有較好的導電性，對系統(tǒng)內阻影響小。因此，含Cu2+等離子態(tài)重金屬的廢水可選做BES陰極電解液。該系統(tǒng)在去除重金屬，回收單質(或低價態(tài)重金屬沉積物)資源的同時，還可以同步輸出電子轉移過程中產(chǎn)生的電能。兼具廢水處理與產(chǎn)電雙重功能。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是采用柱形聚甲基丙烯酸甲酯 (Polymethyl Methacrylate, PMMA)材質組合反應器，反應器總體積擴大至16L，達到污水處理中試規(guī)模。以生活污水作為陽極基質，提供微生物種源及其生長代謝所需營養(yǎng)；電鍍廢水作為陰極電解液，富含離子態(tài)電子受體。惰性鈦絲連接電路，外接可變電阻，采集輸出電能，同時調控系統(tǒng)內電流大小，控制氧化態(tài)金屬離子還原速率。陽極為多孔介質碳氈，采用立體結構以利于微生物附著及所產(chǎn)電子向外傳遞；陰極為石墨圓盤，便于還原態(tài)金屬沉積產(chǎn)物的附著和回收利用。兩室之間設置PP材料三相分離器，用于收集厭氧產(chǎn)氣，同時取代傳統(tǒng)離子交換膜，分隔細菌和氧氣。各級分離器間留有水路，用于物質傳遞。
本發(fā)明的有益效果是在放大的體系規(guī)模下，可以在降解生活污水中的有機污染物，去除電鍍廢水中的重金屬離子，回收單質或低價沉積物。同時，輸出電能，環(huán)境友好，能源節(jié)約。


圖1是無膜生物電化學裝置設計圖，圖2是無膜生物電化學裝置流程圖。
具體實施例方式在圖1中，1陽極室和2陰極室為直徑150 mm的圓柱體，分別高500 mm和250 mm。 陰極室頂端由3端蓋密封，防止化接受電子，降低金屬離子還原效率。反應器所有材料(鉚接螺母除外)均為有機玻璃或塑料材質，不得含有金屬。4三相分離器為主要部件，由三個漏斗狀PP塑料擋板組合而成，頂角60°，彼此間交錯組合，其間留有1 cm縫隙用作水路通路。右側配5出氣口(除此外均為出水口)。該分離裝置能夠充分保證厭氧沼氣與溶液分離， 并利于物質傳遞。陽極碳氈盡可能密實地填充陽極室。陰極石墨板分層布設，根據(jù)需要陰設置不同級數(shù)，開設全、半口引導電鍍廢水交錯流動。6為陰極石墨板電極俯視圖(上)和側視圖(下)，直徑140 mm，厚4 mm，由托槽承托固定。陽極室底部設置7布水板，用于均勻分布進水，由布水板托架固定，下端放空閥可在必要時快速排除泥水混合液。A-A為陰極室頂端法蘭俯視圖，B-B為托槽俯視圖(交錯開口)，C-C為三相分離器漏斗托架俯視圖，D-D為布水板托架俯視圖。在圖2中，01陽極室置于底部，中間裝配04三相分離器，頂部為02陰極室(最多可裝配5個石墨板電極)，由03端蓋密封，四個單元通過螺母鉚接，法蘭連接處以橡膠圈密封。 生活污水經(jīng)05蠕動泵流入陽極室前，曝入N2充分排除溶解氧，以確保產(chǎn)電菌生長所需的厭氧環(huán)境。處理后的污水在陽極頂部進行收集；電鍍廢水由裝置頂部注入，陰極室底部(最后一級陰極板下部)流出。陰、陽極電極以鈦絲導線外接06可變電阻。07電壓數(shù)據(jù)采集裝置由數(shù)據(jù)采集卡和PC系統(tǒng)組成。系統(tǒng)啟動初期，陰極頂部由08氣泵鼓入空氣，09壓力調節(jié)閥調控氣體流量。
權利要求
1.一種協(xié)同處理電鍍廢水和生活污水的無膜生物電化學裝置，在陽極室中，微生物催化降解生活污水中的有機物，釋放電子；在陰極室中，金屬離子接受電子被還原；兩室由三相分離器隔開，并留有物質交換通路；其特征是在陰陽極協(xié)同處理電鍍廢水與生活污水的同時，產(chǎn)生一定的電能，且無需加設昂貴的膜分離材料。
2.根據(jù)權利要求1所述的無膜生物電化學裝置，其特征是利用生活污水中的有機物質，為產(chǎn)電微生物生長提供所需營養(yǎng)物質，同時凈化污水。
3.根據(jù)權利要求1所述的無膜生物電化學裝置，其特征是利用有機污染物降解產(chǎn)生的電子，將電鍍水中的氧化態(tài)金屬離子還原、沉積，易于產(chǎn)物回收和資源再利用。
4.根據(jù)權利要求1所述的無膜生物電化學裝置，其特征是陰、陽極協(xié)同處理污水，分別進行氧化和還原反應的同時，轉移電子，輸出電能。
5.根據(jù)權利要求1所述的無膜生物電化學裝置，其特征是以自行設計的PP材質三相分離器取代分離陰、陽極溶液，收集厭氧沼氣，造價低廉且效果良好。
全文摘要
一種協(xié)同處理電鍍廢水和生活污水的無膜生物電化學裝置。它在陽極微生物的催化作用下分解氧化有機污染物，釋放出電子，傳遞到陰極石墨板上，將金屬離子還原為低價態(tài)沉積物，協(xié)同處理生活污水和電鍍廢水，并回收金屬資源。同時，電極間通過傳遞電子輸出電能。三相分離器可有效分離兩極室液體，收集厭氧沼氣。
文檔編號C02F3/34GK102515365SQ201110414710
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月13日 優(yōu)先權日2011年12月13日
發(fā)明者張麗娟, 陶虎春, 高竹友 申請人:北京大學深圳研究生院