[发明专利]一种高效除铜生物电化学水处理系统

说明书

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。

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：