一种高效除铜生物电化学水处理系统

摘要

本发明属于重金属含铜废水处理技术领域，一种高效除铜生物电化学水处理系统。该系统在微生物燃料电池、膜生物反应器技术基础上，通过采用牺牲铝阳极，微生物燃料电池提供外电源，实现铝的微电解。微电解溶出的铝离子在水分子的作用下生成铝水合离子，该水合离子是天然高效絮凝剂，即可实现有机废水的絮凝净化，更是铜离子絮凝沉淀脱除的关键因子。本系统絮凝剂为自生型，无需外部添加引入，絮凝反应过程温和，铜离子的絮凝脱除效率高，在双功能导电膜的过滤筛分作用下，系统阴极室内能实现铜离子的完全去除。系统出水铜离子浓度完全满足国家一级排放标准，可循环利用。

说明书

技术领域

本发明属于重金属含铜废水处理技术领域，具体研发内容是利用铝片、活性炭与石墨颗粒作为生物电化学系统阳极电极，碳纤维基铁掺杂二氧化锰催化剂导电膜为系统阴极电极。阳极室与阴极室同步进水，有机废水进入阳极室，含铜废水进入阴极。有机废水在阳极室内作为产电微生物底物实现有机废水的降解，同时微生物将生物质能转化为电能实现电能生产。阳极室内铝片与活性炭因电势不同形成天然原电池，触发微电解过程，反应过程中同步为系统提供自生电能。铝片在自生电场下，不断释放铝离子，实现电絮凝过程，既实现有机污染物等物质的絮凝沉淀，同时过量的水合铝离子直接与阴极铜离子形成沉淀，实现铜离子的絮凝脱除。铁锰催化剂导电膜既作为系统阴极，同时作为膜过滤介质，对出水水质的提高具有显著提升作用。因铜离子还原电势比氧分子还原电势更低，在阴极表面铜离子亦能够发生还原过程形成单质铜或氧化亚铜，在阴极表面析出，实现铜的回收过程。本系统将多种工艺进行技术耦合，同步实现有机废水和含铜废水的降解和净化，优质的出水可实现二次利用，整体工艺运行成本低廉，应用领域广泛。

背景技术

微生物燃料电池是利用产电微生物进行生物质能转化为电能的新颖技术。该工艺技术包含生物阳极、质子交换膜、生物阴极。阳极室为厌氧环境，厌氧性产电微生物在阳极室内将废水中的有机质通过新陈代谢作用进行生物降解，微生物同步将生物质能转化为电能，产生的电子通过阳极向阴极进行传递。阴极室为好氧环境，好氧微生物将阳极出水进一步好氧处理，实现有机质的连续脱除。双功能导电膜为燃料电池的阴极，亦作为膜生物反应器的过滤介质，实现阴极室/膜生物反应器的负压过滤出水。

微电解法是利用铝和碳电势的差异，铝作为微阳极，碳为微阴极，形成天然的原电池。铝片与碳颗粒填料形成大型原电池。在微电解的过程中，铝发生电腐蚀，不断释放铝离子，铝离子在水分子作用下，形成水合离子或络合物，该离子是天然的絮凝剂，能将废水中的污染物通过吸附、絮凝沉淀等多种作用加以去除，实现水体电絮凝净化作用。重金属离子，如铜、锌、铬等离子与铝水合离子发生反应，形成絮凝沉淀加以去除。

膜生物反应器(MBR)是当前污水处理主流工艺。其主要净化机制是微生物的好氧处理和膜介质过滤筛分。膜生物反应器内通过曝气为好氧微生物提供充足的氧气，实现好氧环境，好氧微生物以水体中的有机质为碳源，将污染物通过新陈代谢作用实现生物降解，降解后的废水再通过反应器内具有分子筛分作用的过滤膜将水体进一步提纯，实现优质出水。

本发明是利用微电解/电絮凝工艺原位制备天然铝絮凝剂，阳极室和阴极室同步分别输入有机废水和含铜废水。有机废水供养产电微生物的新陈代谢过程，实现有机废水再阳极室内的厌氧处理，并自生内电场加速牺牲铝阳极的电解过程，实现铝离子的连续释放。阳极室出水通过溢流槽后与含铜废水混合后通过空塔曝气接触氧化床，自然溶氧并实现絮凝剂与铜离子的充分接触混合，加速了反应过程，对铜离子的去除具有显著促进作用。整个系统双室双进水，有机废水对含铜废水的处理起到援助作用，系统出水优质，能够实现两种废水的高效净化，对高负荷废水及含铜重金属废水的处理具有显著适应性，应用领域广泛，具有很好的实用性。

发明内容

本发明的目的是提供一种高效除铜生物电化学水处理系统，解决了含铜废水难处理，出水水质不高的难题，整体工艺运行费用低廉，无需投加任何化学药剂，具有低成本高处理效率的特点。

本发明的技术方案：

一种高效除铜生物电化学水处理系统，设计步骤如下：

生物电化学系统有机废水原水泵与阳极室相连，进水方式为底部进水，进水流量通过泵开关进行调节；阳极室阳极为铝，铝作为牺牲阳极插入阳极室内填料层，填料为活性炭和石墨颗粒，二者的混合体积比为1:1，填充率为100％；阳极铝顶端外引导线并与数据收集系统相连；阳极室内顶端插入参比电极，通过电极线与数据收集系统相连；阳极室内活性炭和石墨颗粒混合填料作为生物阳极，与阳极铝同发挥系统阳极功能；填料提前接种产电微生物，引入阳极后直接输入低速有机废水供养产电微生物，实现挂膜过程；阳极室顶部预留排气孔，厌氧过程产生的二氧化碳等气体实现自然排放；阳极室与溢流槽相连，溢流槽底部设有滴滤孔，阳极室出水进入溢流槽后实现滴滤溶氧和气液交换；

含铜废水箱与铜废水原水泵相连，通过原水泵开关控制流量；原水泵出水口设置于溢流槽下部，空塔曝气接触氧化床顶端；有机废水滴滤后与含铜废水在空塔曝气接触氧化床上部直接混合；空塔曝气接触氧化床内填充火山岩滤料，填充比为100％；空塔曝气接触氧化床外侧封板设置为多通道孔结构，空气通过通道孔进入空塔曝气接触氧化床内部，满足床内微生物对氧气的需求；空塔曝气接触氧化床底部设置出水板，床内深度处理后的有机废水和含铜废水的混合水溢流至阴极室内；

本高效除铜生物电化学水处理系统未设置质子交换膜，多介质仓替代质子交换膜作用；多介质仓内的填料为锰砂和活性炭的混合颗粒，混合体积比为1:1，填充率为100％；多介质仓连接阳极室和阴极室两侧压板设置质子通道，通道用无纺布进行密封，防止多介质仓内填料外溢；

阴极室底部预设补充曝气系统；因阴极室同步作为膜生物反应器，曝气头设置双排型；铁/锰/氧催化剂型导电膜作为系统阴极，也同时作为膜生物反应器过滤介质；膜组件实现负压出水，外连出水泵，出水流量通过流量计进行控制。

系统阳极和阴极均与数据采集系统相连，阳极与阴极引线连接外电阻。

本发明的有益效果是：该系统在微生物燃料电池、膜生物反应器技术基础上，通过采用牺牲铝阳极，微生物燃料电池提供外电源，实现铝的微电解。微电解溶出的铝离子在水分子的作用下生成铝水合离子，该水合离子是天然高效絮凝剂，即可实现有机废水的絮凝净化，更是铜离子絮凝沉淀脱除的关键因子。本系统絮凝剂为自生型，无需外部添加引入，絮凝反应过程温和，铜离子的絮凝脱除效率高，在双功能导电膜的过滤筛分作用下，系统阴极室内能实现铜离子的完全去除。系统出水铜离子浓度完全满足国家一级排放标准，可循环利用。

附图说明

图1是铜离子脱除性能图。

图中：横坐标表示时间，单位d，纵坐标表示进出水浓度和去除效率，单位mg/L和％，圆点、菱形块分别表示铜离子进出水浓度，方块表示去除效率。

图2是COD脱除性能图。

图中：横坐标表示时间，单位d，纵坐标表示进出水浓度和去除效率，单位mg/L和％，圆点、菱形块分别表示COD进出水浓度，方块表示去除效率。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图，详细叙述本发明的具体实施方式。

生物电化学水处理系统阳极室：阳极室尺寸为0.1×0.1×0.5m，阳极室底部预留进水口，进水口外引U型管高于室顶端，进水管口与进水泵相连，有机废水进水流量设置为8L/D。阳极室内填充混合填料(活性炭和石墨颗粒，颗粒粒径为3-5mm，混合体积比为1:1)，填充率为100％。室顶端插入甘汞参比电极，电极导线与数据收集系统相连。在室顶端中心插入铝制易拉罐，易拉罐去底插入填料内部，顶端剪开并与铜丝导线相连，铜导线连接数据收集系统。室顶端预留排气孔。阳极室上部与溢流槽相连，溢流槽底部预制10孔可调节式内牙出水口，出水流速可调节。

空塔曝气接触氧化床：氧化床尺寸为0.1×0.1×0.3m，氧化床内填充火山岩填料，粒径为15-30mm，填充比为90％；氧化床顶端外引含铜废水进水管，含铜废水进水流速设置为8L/D。溢流槽滴滤下的有机废水与氧化床顶端含铜废水混合后进入氧化床。氧化床空气侧设置为Φ12(mm)多孔封板，提供输氧通道。

多介质仓：多介质仓尺寸为内填充锰砂与活性炭混合填料(颗粒粒径为0.5-1mm)，混合体积比为1:1。多介质仓与阳极室和阴极室相连封板底部预留70×30mm质子传递通道，通道口用无纺布内牙丝孔封口。多介质仓与阴极室相连封板顶端预留80×10mm通道口，空塔曝气接触氧化床底部出水通过此通道溢流入系统阴极室。

生物电化学水处理系统阴极室/膜生物反应器：室尺寸0.1×0.1×0.3m，为阴极室同时用作膜生物反应器，室底部预留补充曝气头，曝气头设置为双排型，曝气流速通过气体流量表进行控制，保证室内溶解氧浓度为4.8mg/L以上。铁锰催化剂导电膜既作为系统阴极，同时作为膜生物反应器过滤介质，预制成平板膜组件，组件出水口与出水泵相连，出水流速设置为16L/D。出水泵同时用作膜组件反冲洗水泵。室顶端预留溢流口，底部预留排泥口。

性能测试：生物电化学水处理系统阳极室接种产电微生物后，挂膜10天后，进行系统性能测试。实验结果表明有机废水和含铜废水在本发明系统中能够实现同步净化，出水铜离子浓度、化学需氧量指标满足国家一级排放标准，此出水可作为功能水进行循环应用。