CN102324542A - 一种协同处理重金属废水和有机废水并产电的装置 - Google Patents

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Abstract

一种协同处理重金属废水和有机废水并产电的装置，包括被双极膜分隔成阳极室和阴极室的的电解池，在阳极室和阴极室内分别设置有阳极和阴极，阳极与阴极通过导线与电阻相连接，阳极由产电微生物及阳极基底组成，阴极采用电化学惰性的金属钛或碳材料制成，所述的阳极室内盛放有含有机污染物的污水，阴极室内盛放有重金属废水。本发明在同一个电化学池中有机污染物被阳极上附着的产电微生物氧化成二氧化碳，同时释放出电子和质子，质子与双极膜中离解出来的氢氧根结合成水，而电子通过外电路传导到阴极，电子在阴极能将重金属废水中的重金属还原成金属单质沉积在阴极表面，而双极膜中离解出来的质子在阴极室与阴离子结合成酸或者被中和成水。

Description

一种协同处理重金属废水和有机废水并产电的装置
技术领域
本发明属于环境保护水处理和应用化学领域，具体涉及一种协同处理重金属废水和有机废水并产电的装置。
背景技术
被有机物污染的废水广泛存在，废水中的有机物往往能被微生物或者氧化剂氧化成二氧化碳并释放出能量，传统的好氧处理工艺就是通过好氧微生物将有机物分解从而使水质得到净化，而好氧处理工艺中氧化有机物产生的能量被直接释放到环境中。目前已有研究采用微生物燃料电池技术在氧化处理有机废水的同时将能量转化成电能，但该技术中，阴极往往是将氧气还原成水，总的反应是有机物被氧气氧化成了水和二氧化碳。而被重金属污染的废水也广泛存在于印刷电路板、矿山开采、金属冶炼等行业，同时重金属废水中往往含有大量的采矿助剂、刻蚀剂、络合剂等化学品，使得金属离子在废水中能稳定存在，直接排放不仅造成严重的环境污染，也造成贵重金属的浪费。传统工艺往往只能通过化学沉淀法将重金属离子分离出来，为了回收金属单质，仍需将沉淀进一步高温还原，需要消耗大量的化学药剂和能量。尽管已有研究采用微生物燃料电池技术在阴极将重金属离子还原回收，但涉及的重金属废水成分往往过于单一，一般都采用单纯的重金属盐配制的模拟废水，没有考虑络合离子和pH值的影响。而且隔膜采用质子交换膜不能有效地防治pH梯度对阳极微生物性能的影响，从而不能使系统长时间稳定运行。
发明内容
本发明的目的在于提供一种简单、方便、高效的协同处理重金属废水和有机废水并产电的装置，从而提高了废水处理效率。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括电解池以及设置在电解池内将电解池分为阳极室和阴极室的双极膜，双极膜由阴离子交换膜和阳离子交换膜复合而成，其中阳离子交换膜位于阴极室，而阴离子交换膜位于阳极室，在阳极室和阴极室内分别设置有阳极和阴极，阳极与阴极通过导线与电阻相连接，阳极由产电微生物及阳极基底组成，阴极采用电化学惰性的金属钛或碳材料制成，所述的阳极室内盛放有含有机污染物的污水，阴极室内盛放有重金属废水。
本发明的产电微生物由厌氧颗粒污泥驯化得到，阳极基底为炭毡、炭布、玻璃碳、炭黑、炭纸或石墨。
所述的含有机污染物的污水为含乙酸盐、葡萄糖、淀粉、蛋白质或氨氮的可生化降解有机物的废水。
所述的碳材料为石墨、玻璃碳、炭黑、碳毡、炭纸或炭布。
所述的重金属废水为含有金属离子铜、银、金以及金属离子络合剂氨、EDTA、氰酸根离子的废水。
一般情况下，重金属离子具有氧化性，能被还原成金属单质，而废水中的有机物具有还原性，能被氧化成二氧化碳和水。本发明将两者的处理相结合，提供一种能够协同处理重金属废水和有机废水并将产生的能量转化成电能，即在同一个电化学池中有机污染物被阳极上附着的产电微生物氧化成二氧化碳，同时释放出电子和质子，质子与双极膜中离解出来的氢氧根结合成水，而电子通过外电路传导到阴极，电子在阴极能将重金属废水中的重金属还原成金属单质沉积在阴极表面，而双极膜中离解出来的质子在阴极室与阴离子结合成酸或者被中和成水。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明实施例分离出的单质银的扫描电镜照片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参见图1，本发明包括电解池1以及设置在电解池1内将电解池分为阳极室6和阴极室5的双极膜7，双极膜7由阴离子交换膜8和阳离子交换膜9复合而成，其中阳离子交换膜9位于阴极室5，而阴离子交换膜8位于阳极室6，双极膜可以将水离解成质子和氢氧根离子，分别透过阳膜侧和阴膜侧扩散到阴极室和阳极室。在阳极室6和阴极室5内分别设置有阳极2和阴极4，阳极2与阴极4通过导线与电阻3相连接，阳极2由产电微生物及阳极基底组成，产电微生物由厌氧颗粒污泥驯化得到，阳极基底为炭毡、炭布、玻璃碳、炭黑、炭纸或石墨，此类阳极基底能使产电微生物附着并能将微生物氧化有机物产生的电子转移到外电路。阴极4采用电化学惰性的金属钛、石墨、玻璃碳、炭黑、炭纸、炭毡或炭布制成，所述的阳极室6内盛放有含有机污染物的污水，阴极室8内盛放有重金属废水，所述的含有机污染物的污水为含乙酸盐、葡萄糖、淀粉、蛋白质或氨氮等可生化降解有机物的污水；所述的重金属废水为含有金属离子铜、银、金以及金属离子络合剂氨、EDTA、氰酸根离子的废水。
实施例：以炭布作阳极基底，碳布上预先采用微生物燃料电池的阳极培养方法附着了产电微生物，炭纸作阴极，以双极膜隔开阴极室和阳极室，阳极室为圆柱形上留一小孔作为取样检测用，尺寸为直径2cm长3cm，装满25mlCOD约为1020mg/L乙酸钠的废水；阴极室也为圆柱形上有一孔作为取样检测用，尺寸同阴极室，装满硫酸银-氨水溶液，银离子浓度约为740mg/L。阴极和阳极通过一个100欧姆的电阻用导线连接。检测电阻两端的电压，稳定时约为78mV，经过15h的处理，电阻两端电压降为5mV，合计放出电量30库仑，放出电能约1.5焦耳。同时检测阳极室废水COD和阴极室银离子浓度，阳极室COD为170mg/L，COD被去除了83％。而阴极室中银离子浓度降低到用诱导耦合等离子体质谱仪检测不出，银离子去除率约为100％。同时阴极上有单质银生成，扫描电镜照片如图2所示。
本发明在同一个电化学池中有机污染物被阳极上附着的产电微生物氧化成二氧化碳，同时释放出电子和质子，质子与双极膜中离解出来的氢氧根结合成水，而电子通过外电路传导到阴极，电子在阴极能将重金属废水中的重金属还原成金属单质沉积在阴极表面，而双极膜中离解出来的质子在阴极室与阴离子结合成酸或者被中和成水。通过本发明的实施，可以实现同时在阳极室处理有机废水和阴极室处理重金属废水，并实现贵重金属单质的回收以及产生电能。

Claims (5)

1.一种协同处理重金属废水和有机废水并产电的装置，其特征在于：包括电解池(1)以及设置在电解池(1)内将电解池分为阳极室(6)和阴极室(5)的双极膜(7)，双极膜7由阴离子交换膜(8)和阳离子交换膜(9)复合而成，其中阳离子交换膜(9)位于阴极室(5)，而阴离子交换膜(8)位于阳极室(6)，在阳极室(6)和阴极室5内分别设置有阳极(2)和阴极(4)，阳极(2)与阴极(4)通过导线与电阻(3)相连接，阳极(2)由产电微生物及阳极基底组成，阴极(4)采用电化学惰性的金属钛或碳材料制成，所述的阳极室(6)内盛放有含有机污染物的污水，阴极室(8)内盛放有重金属废水。
2.根据权利要求1所述的协同处理重金属废水和有机废水并产电的装置，其特征在于：所述的产电微生物由厌氧颗粒污泥驯化得到，阳极基底为炭毡、炭布、玻璃碳、炭黑、炭纸或石墨。
3.根据权利要求1所述的协同处理重金属废水和有机废水并产电的装置，其特征在于：所述的含有机污染物的污水为含乙酸盐、葡萄糖、淀粉、蛋白质或氨氮的可生化降解有机物的废水。
4.根据权利要求1所述的协同处理重金属废水和有机废水并产电的装置，其特征在于：所述的碳材料为石墨、玻璃碳、炭黑、碳毡、炭纸或炭布。
5.根据权利要求1所述的能够同时产电、产氢及污水处理的微生物电化学系统，其特征在于：所述的重金属废水为含有金属离子铜、银、金以及金属离子络合剂氨、EDTA、氰酸根离子的废水。
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