申请日2018.07.12
公开(公告)日2018.12.21
IPC分类号C02F3/00; C02F101/20
摘要
本发明公开了一种去除重金属废水中镉离子的方法，利用微生物燃料电池降解有机物产生的电能驱动微生物电解池处理含镉重金属废水，全过程不消耗外部电能，不产生二次污染，是一种环境友好的含镉重金属废水处理新方法。该方法包括以下三个步骤：1、MFC运行参数的确定;2、MFC‑MEC自驱动耦合系统的构建;3、含镉重金属废水的处理：通过步骤1和2，利用MEC阴极反应处理含镉重金属废水，阴极液为含镉重金属废水，pH值为1～5，阳极采用碳纸，阴极材料采用不锈钢、钛板和碳纸。待MEC反应结束后，取出阴极，收集MEC阴极还原产物，经XRD检测，MEC阴极产物为碳酸镉，镉离子去除率为89.5%。
权利要求书
1.一种去除重金属废水镉离子的方法，其特征在于，包含以下三个步骤：
1)确定MFC和MEC参数;
2)MFC-MEC串联耦合;
3)MFC-MEC自驱动耦合系统处理含镉废水;
其中MFC的阳极与MEC的阴极耦合相连，MFC的阴极与MEC的阳极通过串联电阻耦合相连;
所述MFC和MEC的阳极液为体积比1:2-1:4的阳极活性污泥与阳极底物乙酸钠的混合液;
所述MFC的阴极液为含铜溶液，所述MEC的阴极液为含镉废水。
2.根据权利要求1所述的去除重金属废水镉离子的方法，其特征在于：
所述确定MFC和MEC参数包含以下步骤，
所述MFC阳极室和阴极室的有效容积为300～500mL，所述阴极液铜离子初始浓度为500～2000mg/L，pH值为3～5，电导率为5～8.5mS/cm;
所述MEC阳极室和阴极室的有效容积为100～500mL，所述含镉废水镉离子初始浓度为900～1000mg/L，pH值为1～5;
所述MFC和MEC的阳极材料为碳纸，阴极采用不锈钢、钛板或碳纸中的一种，阳极和阴极间距为6～8cm，两室之间由阴离子交换膜相隔;
所述MFC-MEC串联耦合为，待MFC输出电压为200～700mV时，通过串联电阻耦合方式将MEC与MFC相连接，所述电阻为0.01-1000Ω;
所述MFC-MEC自驱动耦合系统处理含镉重金属废水为将已经串联耦合的MFC-MEC系统在常温常压下运行，待反应结束后，取出MEC阴极，收集阴极还原产物。
3.根据权利要求1或2所述的去除重金属废水镉离子的方法，其特征在于：
所述阳极底物乙酸钠溶液浓度为0.9～1g/L;
所述阳极活性污泥为含有产电细菌的污泥，取自污水处理厂脱水机房的脱水污泥，在所述脱水污泥中加入培养驯化液，培养驯化液与脱水污泥的体积比为：1:5～2:5;，培养驯化液组成成分：0.2～0.4g/L蔗糖、0.2～0.4g/L磷酸二氢钾、0.15～0.35g/L磷酸氢二钾、0.1～0.2g/L柠檬酸三胺、0.01～0.3g/L氯化钠、0.3～0.5g/L氯化镁、0.1～0.2g/L氯化钙、0.10～0.40g/L NH4Cl、0.9～1g/L乙酸钠，经氮气脱氧后与接种物在无氧、避光、常温状态下驯化培养5～7天。
说明书
一种去除重金属废水中镉离子的方法
技术领域
本发明涉及生物电化学和重金属废水处理领域，具体为一种去除重金属废水中镉离子的方法。
背景技术
随着我国经济的快速发展，工业化进程不断加快，人们的生活水平得到极大改善，但随之也带来了水环境污染问题。在电镀、冶金、化工等工业生产过程中，会产生大量的废水，这些废水组成成分复杂，除了含有难降解的有机污染物外，还含有大量有毒有害的重金属物质，这类废水如若处理不当，将会对生态、环境、人类健康造成极大的危害。
废水中的镉毒性大，易被人体吸收，在人体内累积，会损伤肾小管，严重时会导致肾功能衰竭。1955年至1977年发生在日本的痛痛病事件，是典型的慢性镉中毒事件，在20多年间，造成了200多人死亡。因而，镉一旦进入环境，就会造成较大的危害。在我国也发生过严重的镉污染事件，因此含镉重金属废水的处理刻不容缓，在废水排放前必须进行处理，以达到排放标准，避免污染事件的发生。目前国内外常用的含镉重金属废水处理技术包括化学沉淀法、铁氧体法、离子交换法、电絮凝法、膜分离法、吸附法、生物法等，一些技术和方法已成功的应用到含镉重金属废水的处理中。
专利(CN104211221A)针对低浓度含镉重金属废水，通过依次加入聚合氯化铝、磷酸钠、阴离子后搅拌，最后沉淀过滤，该方法具有成本低、无二次污染等优点。
专利(CN103466776A)针对高浓度的含镉重金属废水，加入氢氧化钠以及三聚硫氰酸钠，该方法对水体中各种形态的镉都有很好的去除效果。
专利(CN102464396A)通过将起泡剂、有机溶剂、助剂制备成的乳状液固定在载体上，用于处理含镉重金属废水，此工艺流程简单、在常温下进行，无噪音，所用试剂无毒、无害、不挥发，乳液可循环使用，处理效果明显。
专利(CN104478128A)以现有化学沉淀和混凝过滤工艺为基础，在不进行或难以进行大规模工艺改造的条件下，改变投药及操作方式和pH值控制方式，解决废水中微量镉达标排放的难题。具有使用试剂品种少，试剂用量少，且所用原料经济易得，未向体系中添加任何有害元素，成本低，处理效果好。
专利(CN101367575)利用藻细胞壁和菌细胞壁协同快速处理吸附镉，实现废水中镉的去除，该方法可广泛应用于工业化生产的含镉重金属废水清洁处理和资源化利用。生物电化学系统包括微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，MFC)和微生物电解池(Microbial Electrolytic Cell，MEC)。早期的MFC在废水处理方面，主要集中在阳极室，通过阳极微生物作用降解有机废水，实现废水处理的同时产生电能。随着生物电化学的发展，发现许多重金属离子也可以作为阴极电子受体，MFC的应用范围进一步扩大。随着该项技术的发展，MFC的产电能力有了一定的提高，装置的构型也愈发多样化，与此同时还出现了多种MFC与其他技术相耦合的实验探索，如光合型MFC(Photo-MFC)、植物微生物燃料电池(PMFC)、厌氧流化床微生物燃料电池(AFB-MFC)等。MFC-MEC就是其不断探索下构造的一种新耦合形式，即通过MFC产生电能，驱动MEC运行，既利用MFC的电能，又能实现不同氧化还原电位重金属离子的去除和回收。尽管含镉重金属废水的处理办法很多，但单纯的治理会消耗很高的成本，造成资源浪费。
发明内容
为了解决上述问题，本发明利用MFC-MEC耦合系统是一种新兴的清洁能源和废水处理技术。根据能斯特方程计算，Cu2+的电极电势为正，反应可自发进行，满足MFC还原条件，并产生电能，以Cu2+为阴极电子受体时，MFC的稳定输出电压为200～750mV，而Cd2+的还原电位为-0.403V，MFC产生的电能是可以驱动MEC的运行。利用这一特点，将MFC与MEC串联，实现耦合系统的自驱动运行，将重金属废水中的镉离子以碳酸镉的形式还原去除。通过利用MFC产电驱动MEC运行，同时实现废水中镉离子的去除，从而达到治理水污染的目的，整个过程无需外加电能，清洁无污染。
一种去除重金属废水镉离子的方法，包含以下三个步骤：
1)确定MFC和MEC参数;
2)MFC-MEC串联耦合;
3)MFC-MEC自驱动耦合系统处理含镉重金属废水;
其中MFC的阳极与MEC的阴极通过导线相连，MFC的阴极与MEC的阳极通过串联电阻耦合相连;构成串联电路，利用MFC产生的电能驱动MEC运行。
所述MFC和MEC的阳极接种物为活性污泥，阳极液为体积比1:2-1:4的阳极活性污泥与阳极底物乙酸钠的混合液;
所述MFC的阴极液为含铜溶液，所述MEC的阴极液为含镉溶液。
其中，所述确定MFC和MEC参数包含以下步骤，
MFC阳极室和阴极室的有效容积为300～500mL，所述阴极液铜离子初始浓度为500～2000mg/L，pH值为3～5，采用饱和氯化钠溶液调节电导率为5～8.5mS/cm，阳极和阴极间距为6～8cm;
MEC阳极室和阴极室的有效容积为100～500mL，所述含镉废水镉离子初始浓度为900～1000mg/L，pH值为1～5;
MFC和MEC的阳极材料为碳纸，阴极采用不锈钢、钛板或碳纸中的一种，阳极和阴极间距为6～8cm，两室之间由阴离子交换膜相隔;
MFC-MEC串联耦合为，待MFC输出电压稳定为200～700mV，优选500～700mv时，通过串联电阻耦合方式将MEC与MFC相连接，所述电阻为800-1000Ω;
MFC-MEC自驱动耦合系统处理含镉重金属废水为将已经串联耦合的MFC-MEC系统在常温常压下运行，待反应结束后，取出MEC阴极，收集阴极还原产物。
所述阳极底物乙酸钠溶液浓度为0.9～1g/L;
所述阳极活性污泥为含有产电细菌的污泥，取自污水处理厂脱水机房的脱水污泥，在所述脱水污泥中加入培养驯化液，培养驯化液与脱水污泥的体积比为：1:5～2:5;，培养驯化液组成成分：0.2～0.4g/L蔗糖、0.2～0.4g/L磷酸二氢钾、0.15～0.35g/L磷酸氢二钾、0.1～0.2g/L柠檬酸三胺、0.01～0.3g/L氯化钠、0.3～0.5g/L氯化镁、0.1～0.2g/L氯化钙、0.10～0.40g/LNH4Cl、0.9～1g乙酸钠，经氮气脱氧后与接种物在无氧、避光、常温状态下驯化培养5～7天。
本申请技术方案的有益效果：
1.以MFC产生的电能驱动MEC运行，MEC原位利用MFC产生的电能实现废水中镉离子的去除，实现耦合系统的自驱动运行，整个过程不消耗外部电能、无二次污染。
2.MFC最高功率密度可达22278.4mW/m2，COD去除率83.3%，MFC阴极铜离子去除率93.7%，MEC阴极镉离子去除率89.5%。
3.MEC阴极表面析出物经XRD检测为CdCO3，证明废水中的镉离子经过MEC阴极还原反应后以CdCO3沉淀产物析出，从而实现废水中镉离子的去除。
