申请日2017.08.23
公开(公告)日2017.11.03
IPC分类号C02F3/00; C02F3/30; C02F3/34; C02F11/00; C02F11/02; C02F101/20; C02F101/22; C02F101/30; C02F103/16
摘要
一种用于电镀工业园区同时处理园区污泥和电镀废水的装置和方法，它涉及污泥和废水的处理装置和方法，它是要解决现有的双室燃料电池还原电镀废水技术的降解速率慢、运行稳定性和连续性差的技术问题。本装置包括生物阴极室、阳极室、化学阴极室、外部贮电器和质子交换膜;各室之间用质子交换膜分隔，各室均设有石墨刷电极，除化学阴极室外各电极上均附着功能菌;生物阴极室与化学阴极室中的电极并联后，经外部贮电器与阳极室中的石墨刷电极连接成闭合回路。处理方法：将营养液加入到生物阴极室中，将污泥加入阳极室内，将电镀废水加入到化学阴极室内，按时更换底物，完成污泥和电镀废水的处理。适于含铬、镍、铜、锌、镉等离子的废水和污泥的处理。
权利要求书
1.一种用于电镀工业园区同时处理园区污泥和电镀废水的装置，其特征在于该装置包括生物阴极室(1)、阳极室(2)和化学阴极室(3)、外部贮电器或用电器(4)和质子交换膜(5);其中阳极室(2)位于生物阴极室(1)和化学阴极室(3)之间，生物阴极室(1)与阳极室(2)之间及阳极室(2)和化学阴极室(3)之间均用质子交换膜(5)分隔;生物阴极室(1)内设有第一石墨刷电极(1-1)、曝气装置(1-2)，在生物阴极室(1)内填加碳粒(1-3)，在生物阴极室(1)的侧壁底部设置第一出水孔(1-4)，在生物阴极室(1)的顶部设置有第一气孔(1-5);第一石墨刷电极(1-1)与碳粒(1-3)上附着曝气生物活性菌;在阳极室(2)内设有第二石墨刷电极(2-1)、参比电极(2-2)，在阳极室(2)的侧壁底部设置第二出水孔(2-3)，在阳极室(2)的顶部设置有第二气孔(2-4);第二石墨刷电极(2-1)上附着电化学活性菌;在化学阴极室(3)内设有第三石墨刷电极(3-1)，第三石墨刷电极(3-1)上无细菌附着;在化学阴极室(3)的侧壁底部设置第三出水孔(3-2)，在化学阴极室(3)的顶部设置有第三气孔(3-3);生物阴极室(1)中的第一石墨刷电极(1-1)与化学阴极室(3)中的第三石墨刷电极(3-1)用导线连接后经外部贮电器或用电器(4)与阳极室(2)中的第二石墨刷电极(2-1)连接成闭合回路。
2.根据权利要求1所述的一种用于电镀工业园区同时处理园区污泥和电镀废水的装置，其特征在于生物阴极室(1)和化学阴极室(3)为长方体或圆柱体。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于电镀工业园区同时处理园区污泥和电镀废水的装置，其特征在于在生物阴极室(1)、阳极室(2)和化学阴极室(3)的底部设置有磁力搅拌器或在室内加搅拌器。
4.根据权利要求1或2所述的一种用于电镀工业园区同时处理园区污泥和电镀废水的装置，其特征在于在生物阴极室(1)、阳极室(2)和化学阴极室(3)的外部设置保温装置，其中保温装置为水浴或保温棉。
5.利用权利要求1所述的装置同时处理电镀工业园区污泥和电镀废水的方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：
一、将营养液作为生物阴极电解液加入到生物阴极室(1)内，将电镀工业园区污水处理厂的污泥作为阳极底物加入到阳极室(2)内，将电镀废水作为化学阴极电解液加入到化学阴极室(3)内;
二、保持生物阴极室(1)、阳极室(2)和化学阴极室(3)的温度为20～40℃，开启生物阴极室(1)内的曝气装置(1-2)，进行处理，每2～5天换一半营养液和电镀废水，每5～10天换一次剩余污泥，完成电镀工业园区污泥和电镀废水的处理。
6.根据权利要求5所述的同时处理电镀工业园区污泥和电镀废水的方法，其特征在于步骤一所述的电镀工业园区污水处理厂的污泥是生活污泥、工业污泥或者是生活污泥与工业污泥混合物。
7.根据权利要求5或6所述的同时处理电镀工业园区污泥和电镀废水的方法，其特征在于电镀废水中含有Cr6+、Cu2+、Ni2+、Zn2+和/或Cd2+。
8.根据权利要求7所述的同时处理电镀工业园区污泥和电镀废水的方法，其特征在于含Cr6+电镀废水预处理方法如下：向Cr6+浓度为50mg/L～300mg/L的电镀废水加入硫酸调节PH值为1～2，再加入足量双氧水后搅拌均匀，从而氧化破除络合剂，完成预处理。
说明书
一种用于电镀工业园区同时处理园区污泥和电镀废水的装置和方法
技术领域
本发明涉及污泥和电镀废水的处理装置和方法，属于生物电化学领域，具体涉及一种实现电镀工业园区污泥的资源化和稳定化，同时将电镀废水中的重金属离子还原并同步产电的方法。
背景技术
我国电镀业长期以来缺乏合理布局，行业内企业市场和技术管理工作薄弱，生产技术落后，信息封闭，行业整体水平不高，且企业整体构成不合理，行业内部发展水平参差不齐，企业数量多，规模小，点多面广，经营分散，污染物产生量大。电镀工业园区的电镀厂在运行过程中，镀液过滤、镀件清洗以及厂区清洁等使含重金属离子的电镀废水进入排水管道。这些废水来源于电镀前处理、镀层漂洗、后处理、冲刷车间地面、镀槽渗漏或操作管理不当造成的跑、冒、滴、漏的各种槽液和用水等，所含主要重金属有铬、镉、铅、铜、镍、锌。若排放于环境，重金属离子会通过饮用水及食物链的富集作用，对人类产生更广泛和更严重的危害。
根据电镀的类型对废水进行分类，一般可以分为含铬废水、含镍废水、含铜废水、含锌废水、含镉废水等。电镀厂废水中所含的重金属种类要看加工的物品和数量，通常电镀废水均以铬为主。电镀工业园区重金属废水处理最常用的方法有化学还原法、电解法和膜法。其中化学还原法投加的化学药剂量巨大，造成持续投资金额大，且外加试剂产生的二次污染。电解法是通电耗电量高，该方法不够经济有效。膜法能量消耗多，且易出现膜污染等问题。构建双室微生物燃料电池可以加速污泥中有机物的降解，同时实现阴极重金属离子的还原，目前利用微生物燃料电池处理电镀废水成为研究的热点。公开号为CN104386826 A的中国专利公开了一种基于微生物燃料电池的含铬废水的处理和监测方法。该反应器在阳极中以厌氧污泥和乙酸钠溶液为基质，阴极加入阴极液启动。电压稳定后阳极换用无氧的阳极液，阴极用含铬电镀废水。此方法周期长，且正式运行时阳极阴极同时换基质，扰动大，运行稳定性差;而且，该方法在运行时会受到铬浓度下降的影响，阳极产电菌电子积累、活性下降，恢复活性耗时长。《水处理技术》2013年第39卷第11期公开的《微生物燃料电池净化含Cu2+废水资源化处理研究》一文提出了双室MFC模型用于还原废水中的Cu2+。但同样存在运行稳定性差，以及重金属离子浓度下降后对阳极产电菌影响大，导致重金属离子还原速率下降的问题。
发明内容
本发明是要解决现有的电镀废水的双室燃料电池还原技术的降解速率慢、运行稳定性和连续性差的技术问题，而提供一种用于电镀工业园区同时处理园区污泥和电镀废水的装置和方法，该装置和方法具备降解速率快，运行稳定和连续的特征。
本发明的用于电镀工业园区同时处理园区污泥和电镀废水的装置，包括生物阴极室1、阳极室2和化学阴极室3、外部贮电器或用电器4和质子交换膜5;
其中阳极室2位于生物阴极室1和化学阴极室3之间，生物阴极室1与阳极室2之间及阳极室2和化学阴极室3之间均用质子交换膜5分隔;
生物阴极室1内设有第一石墨刷电极1-1、曝气装置1-2，在生物阴极室1内填加碳粒1-3，在生物阴极室1的侧壁底部设置第一出水孔1-4，在生物阴极室1的顶部设置有第一气孔1-5;第一石墨刷电极1-1与碳粒1-3上附着曝气生物催化活性菌;
在阳极室2内设有第二石墨刷电极2-1、参比电极2-2，在阳极室2的侧壁底部设置第二出水孔2-3，在阳极室2的顶部设置有第二气孔2-4;第二石墨刷电极2-1上附着电化学活性菌;
在化学阴极室3内设有第三石墨刷电极3-1，第三石墨刷电极3-1上无细菌附着;在化学阴极室3的侧壁底部设置第三出水孔3-2，在化学阴极室3的顶部设置有第三气孔3-3;
生物阴极室1中的第一石墨刷电极1-1与化学阴极室3中的第三石墨刷电极3-1用导线连接后经外部贮电器或用电器4与阳极室2中的第二石墨刷电极2-1连接成闭合回路。
利用上述的装置同时处理电镀工业园区污泥和电镀废水的方法，按以下步骤进行：
一、将营养液作为生物阴极电解液加入到生物阴极室1内，将电镀工业园区污水处理厂的污泥作为阳极底物加入到阳极室2内后密封第二气孔2-4，将电镀废水作为化学阴极电解液加入到化学阴极室3内;
二、保持生物阴极室1、阳极室2和化学阴极室3的温度为20～40℃，开启生物阴极室1内的曝气装置1-2，进行处理，每2～5天换一半营养液和电镀废水，每5～10天换一次污泥，完成电镀工业园区污泥和电镀废水的处理。
本发明的用于电镀工业园区同时处理园区污泥和电镀废水的装置中阳极室与两个阴极室间通过质子交换膜隔开，此结构有利于阳极室内的质子快速传导到两侧阴极室;阳极室密闭厌氧，其内含有多种类有机物的厌氧污泥在厌氧条件下经水解酸化过程形成简单可溶性有机物，简单有机物被附着于第二石墨刷电极2-1上的电化学活性菌利用，在代谢过程中产生电子经电极传导至化学阴极室内的第三石墨刷电极3-1和生物阴极室内的第一石墨刷电极1-1;电子在电化学极室内被化学阴极液3-2利用参加化学反应，与质子和金属离子发生还原反应;电子在生物阴极室内被曝气生物催化活性菌利用与H+和氧气反应生成水。生物阴极室1和化学阴极室3的石墨刷电极相连，通过贮电器或用电器4与阳极石墨刷连接，从而将产生的电能加以利用;与阳极相连的化学阴极具有还原电镀废水中金属离子的作用，而与阳极相连的生物阴极具有稳定阳极电化学活性菌，提高反应速率的作用。
本发明提供了一种用于电镀工业园区同时处理园区污泥和电镀废水的方法。采用园区内污水处理厂产生的剩余污泥作为阳极底物，电镀废水作为化学阴极电解液，营养液作为生物阴极电解液，构建新型生物电化学系统，实现园区污泥和电镀废水处理并产生电能，保证电池较大程度的电能输出和电镀废水的高效处理以及电池的产电稳定性，电能可应用于另一装置的曝气生物阴极。本发明对铬、镍、铜、锌、镉等离子有还原去除效果。
本发明优势在于：①在反应器的启动阶段，由于曝气生物催化活性菌活性强，代谢迅速，且两侧均采用曝气生物阴极启动，微生物对H+和电子的大量需求加大了对阳极污泥内电化学活性菌的刺激，使其世代繁殖速度加快，有利于阳极电化学活性菌活性增强、数量增多，扩大其种间优势，加速启动进程。②好氧生物阴极室较厌氧阳极室有更强的稳定性和抗干扰能力，使得整个反应器的抗干扰能力提升。③在反应器运行阶段，化学阴极室内重金属离子浓度逐渐降低，对电子需求量减少，阳极室内产生的电子和质子开始积累抑制电化学活性菌的活性，而生物阴极的存在使阳极的电子输送保持稳定，不至于受化学阴极反应减缓、电子需求减少的影响。此条件下阳极电化学活性菌保持活性稳定，继续输出电子和H+。足量的电子和H+同时又会促进低金属离子浓度条件下的化学阴极室内金属离子还原速度提升。因此，由于曝气生物阴极的存在，反应系统的金属离子还原过程保持稳定。④在确保足够大的接触面积和一定的水力停留时间后，反应器完全可以实现连续流，在最佳运行状态最佳还原速率的条件下连续处理含重金属离子的电镀废水。⑤重金属电镀废水不论条件(好氧、厌氧)不论浓度(中浓度、高浓度或超高浓度)不论纯度(是否有其他金属离子干扰)均可以进行降解，且不同于普通生物处理，高浓度重金属离子不会降低反应器降解效果，反而会一定程度上加快降解速率。⑥本发明可将Cr6+还原为Cr3+，Cu2+还原为Cu2O，Ni2+还原为Ni，Zn2+还原为Zn，Cd2+还原为Cd。但由于Ni、Zn和Cd的氧化还原电位为负值(Ni2+/Ni0，SHE为-0.230V;Zn2+/Zn0，SHE为-0.763V;Cd2+/Cd0，SHE为-0.403V)，还原效果较Cr和Cu略差。⑦按照本发明的方法高效还原电镀废水中的重金属使重金属回收更容易;较之于电镀工业园区电镀废水传统处理方法也会减少生物处理阶段之前的预处理过程产生的污泥量，从而降低危废处置费用。
