[发明专利]一种生物电化学人工湿地系统及其应用

说明书

本发明公开了一种生物电化学人工湿地系统及其应用，包括系统主体，系统主体的内部由下到上依次设置有基底层、阳极层、基质层、阴极层，阴极层与阳极层分别通过外电路装置构成闭合回路，系统主体上方种植有湿地植物，所述阳极层为含单质铁和低价铁离子的还原性导电材料，阴极层为生物炭、焦炭、石墨颗粒中的一种，基质层为非导电材料砾石、石英砂或鹅卵石，通过将含单质铁和低价铁离子的还原性导电材料添加到生物电化学人工湿地系统的阳极区域中，用于协同处理含NHsubgt;4/subgt;supgt;+/supgt;‑N和Cr（VI）的废水，实现了氮/铬的高效协同去除。

技术领域

本发明属于污水处理技术领域，尤其涉及一种生物电化学人工湿地系统及其应用。

背景技术

随着我国城镇化和工业化进程的不断加快，电镀、印染、皮革、船舶、催化、航空航天等工业快速发展，日益增加的废水排放易形成难以治理的氮/铬复合型污染。其废水中存在一定浓度水平的Cr（VI）和Cr（Ⅲ），通常以Cr（VI）居多，并且Cr（VI）具有高溶解度、迁移性和毒性；氨水也是这些行业广泛运用的原料之一，大量氨水的使用，造成了废水氨氮含量严重超标，尤其是电镀槽废液，氨氮浓度更高。化学沉淀法是最常用的Cr（VI）处理方法，即用还原剂硫代硫酸钠、硫酸亚铁和亚硫酸氢钠在酸性条件下生成难溶于水的盐类。由于还原剂的使用成本较高，易产生二次污染，并且加入硫酸形成的酸性环境不利于NH₄⁺-N的去除。因此，开发一种经济高效的绿色技术来处理含Cr（VI）和NH₄⁺-N的复合废水具有重要意义。生物电化学人工湿地是一种新型生态污水处理和能源再生技术，该技术的特点在于设置有阳极区域和阴极区域，分别执行污染物的氧化反应和还原反应。因此，若通过阳极配置来改善系统的还原环境，使Cr（VI）和NH₄⁺-N得以转化和控制，则是解决氮/铬复合污染控制的最佳途径。

含单质铁和低价铁离子的还原性导电材料如海绵铁（S-Fe⁰）、黄铁矿（FeS₂）、铁屑（Fe⁰）等，可在生物电化学人工湿地阳极区域充当还原剂，从而被Cr（VI）氧化为Fe（Ⅲ），在碱性条件下，Cr（Ⅲ）能够实现Cr(OH)₃沉淀，达到Cr（VI）的去除目的；另外，厌氧氨氧化耦合铁还原菌偏好将Fe（Ⅲ）作为电子受体，使NH₄⁺-N氧化为NO_X-N，再进一步进行反硝化作用产生N₂。因此，实现了对NH₄⁺-N和Cr（VI）的高效协同去除。而且，单质铁和低价铁离子在阳极失去的部分电子也可以通过外电路转移至阴极提供给NO₃^--N进行反硝化，实现了NO₃^--N的去除，同时能够提高系统的产电性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种生物电化学人工湿地系统及其应用，通过该系统的应用，能够达到协同处理含NH₄⁺-N和Cr（VI）的废水，实现了氮/铬的高效协同去除。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种生物电化学人工湿地系统，包括系统主体，系统主体的内部由下到上依次设置有基底层、阳极层、基质层、阴极层，阴极层与阳极层分别通过外电路装置构成闭合回路，系统主体上方种植有湿地植物菖蒲或芦苇，所述阳极层为含单质铁和低价铁离子的还原性导电材料，阴极层为生物炭、焦炭、石墨颗粒中的一种，基质层为非导电材料砾石、石英砂或鹅卵石。

进一步的，所述外电路装置包括导线和定值电阻，通过导线和定值电阻连通阴极层和阳极层。

进一步的，系统主体还包括位于基质层和阴极之间的曝气石，曝气石通过管道与曝气泵连接。

进一步的，所述还原性导电材料为海绵铁、黄铁矿或铁屑。