一种生物电化学系统及其使用方法

1.本发明属于化工污泥处理技术领域，特别涉及一种生物电化学系统。


背景技术：

3.生物电化学系统被引用于处理废水、产氢、处理有机物等方面，微生物燃料电池利用微生物自身氧化有机物并生成电子和质子的特征，可使废水中重金属离子得到电子，得以被去除还原；微生物电解池是基于微生物燃料电池的基础上发展而来的，主要应用于产氢和甲烷、还原低氧化还原的重金属离子。
4.现有技术中，采用生物电化学系统处理废水中的重金属离子，一个装置一般只能还原低氧化还原的重金属离子或还原高氧化还原的重金属离子，还原多种离子需要不同的装置，成本高，结构复杂。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种生物电化学系统及其使用方法，能够同时还原废水在低氧化还原的重金属离子和高氧化还原的重金属离子；
6.为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
7.一种生物电化学系统，包括化工污泥层、化工污泥浸取液层和电化学装置层，
8.所述电化学装置层包括共用阳极室和共用阴极室，
9.所述共用阳极室和共用阴极室均设置在化工污泥浸取液层的上方；
10.所述共用阳极室和共用阴极室之间设置有质子交换膜；
11.所述共用阳极室内设有电解液和生物阳极；所述生物阳极包括电池阳极和电解池阳极，
12.所述共用阴极室内设有中介体和生物阴极；所述生物阴极包括电池阴极和电解池阴极，
13.所述电池阳极和电解池阳极并联设置；
14.所述电池阴极和电解池阴极并联设置；
15.所述电池阳极通过导线和固定电阻箱与电池阴极电性连接；
16.所述电解池阳极通过导线和数据采集器与电解池阴极电性连接；
17.所述化工污泥浸取液层在化工污泥层的上方，且化工污泥浸取液层一侧开设有进水口。
18.优选的，还包括电热隔板，所述电热隔板分别设置在化工污泥层与化工污泥浸取液层之间和电化学装置层与化工污泥浸取液层之间；所述电热隔板的温度为20～35℃；所述电热隔板上开设有若干通孔。
19.优选的，所述生物阳极由集流体和负载生物膜的纳米碳材料组成；所述生物阴极由负载生物膜的纳米碳材料组成。
20.优选的，所述集流体为碳棒、不锈钢网、碳纳米管或铂网中的任意一种；所述纳米
碳材料为碳球或碳毡块；所述中介体为圆柱形的铜粒或铁粒。
21.优选的，所述数据采集器并联有电源；所述电源为直流稳压电源。
22.优选的，所述共用阳极室或共用阴极室顶部开设有进气孔。
23.优选的，所述共用阴极室一侧上方开设有出水口。
24.优选的，所述化工污泥层底部开设有进污泥口，所述进污泥口上连接有进污泥管；所述进污泥管上安装有进污泥阀门。
25.本发明还提供一种生物电化学系统的使用方法，采用上述的一种生物电化学系统，降解化工污泥中的重金属离子和处理化工污泥中有机物，包括以下步骤：
26.将生物阳极和生物阴极进行驯化，将缓冲溶液和营养液通过进水口通入化工污泥浸取液层中，形成化工污泥浸取液，并通过进气口通入氮气，之后水位逐渐上移，电化学装置层对化工污泥浸取液进行处理，然后从出水口排出处理后的化工污泥浸取液。
27.优选的，所述生物阳极的驯化步骤为：在单室微生物电解池中添加20％的好氧菌和厌氧菌的混合菌源和80％磷酸缓冲溶液以及营养液，并施加1.5～2.0v电压，直至输出电流最大值；
28.所述生物阴极的驯化步骤为：通过电极极性反转将生物阳极在含有产电菌群与碳源的电解质溶液中进行驯化，即模拟电解液中的重离子浓度以5～20mg/l逐步递增，直至在多个批次中得到稳定的重金属去除率。
29.本发明通过生物阳极上微生物氧化有机物，通过电池阳极和电池阴极组成原电池，可以自发还原高氧化还原的重金属离子，电解池阴极通过外加电压，使得电子到达阴极，低氧化还原的离子被还原，有效降解化工污泥浸取液中重金属离子，同时利用阳极分解有机物提供电子的机理同步实现去除污泥浸取液中的有机物，实现了重金属和有机物的同步有效去除，工艺简单，操作方便；
30.本系统生物阳极和生物阴极都使用小块状碳毡填充，提高了电极的表面积和导电能力，对化工污泥浸取液具有较好的适应性且处理效果好，性能高效稳定。
附图说明
31.图1为本发明示意图；
32.图2为在不同电压下重金属镉离子的去除率；
33.图3为不同时间下重金属镉离子的去除率；
34.图4为阳极有机物的cod图。
具体实施方式
35.以下结合附图和具体实施例，对本发明做进一步说明。
36.如图1所示，本发明一种生物电化学系统，包括化工污泥层1、化工污泥浸取液层2和电化学装置层，
37.所述电化学装置层包括共用阳极室31和共用阴极室32，所述共用阳极室31和共用阴极室32均设置在化工污泥浸取液层2的上方；所述共用阳极室31和共用阴极室32之间设置有质子交换膜，将阴级和阳极分隔；
38.所述共用阳极室31内设有电解液和生物阳极，其中所述生物阳极由集流体和负载
生物膜的纳米碳材料组成，电解液包括磷酸二氢钠，磷酸氢二钠，氯化氨，氯化钾和其他微量元素，微量元素由金属盐配制；所述生物阳极包括电池阳极311和电解池阳极312；
39.所述共用阴极室32内设有中介体和生物阴极，其中所述生物阴极由负载生物膜的纳米碳材料组成；所述生物阴极包括电池阴极321和电解池阴极322；
40.所述电池阳极311和电解池阳极312并联设置；所述电池阴极321和电解池阴极322并联设置；所述电池阳极311通过导线和固定电阻箱4与电池阴极321电性连接，组成微生物燃料电池，其中固定电阻箱4为500ω～1000ω；所述电解池阳极312通过导线和数据采集器5与电解池阴极322电性连接，组成微生物电解池，电解池和电池的阴阳极分别置于共用的阴阳极室中组成并联耦合装置，且电解池和电池亦可独立分别运行，将电池装置输出的电能收集到数据采集器5，该数据采集器5再作为电解池装置的备用电源或辅助电源；
41.所述化工污泥浸取液层2在化工污泥层1的上方；所述化工污泥浸取液层2一侧开设有进水口21，通过进水口21，将缓冲溶液和营养液通入化工污泥浸取液层2，然后缓冲溶液和营养液流入化工污泥层1中，形成化工污泥浸取液，之后水位逐渐上移到达电化学装置层中，其中所述进水口21上连接有进水管；所述进水管上安装有进水阀门，通过关闭进水阀门，防止缓冲溶液倒流；
42.其中缓冲溶液为nah2po4·
2h2o和na2hpo4·
12h2o，营养液为ch3coona
·
3h2o、nh4cl、kci、cac12、mgso4、nacl、feso4、mnso4、aic13、nic12·
6h2o、cuc12、znc12和coc12·
2h2o；
43.其中，在共用阳极室31中生物阳极上微生物氧化有机物并释放电子和质子，同时产生能量，为重金属离子还原提供电子和电能，电池阳极311和电池阴极321组成原电池，可以自发还原高氧化还原的重金属离子，电解池阴极322通过外加电压，使得电子到达阴极，低氧化还原的离子被还原。
44.其中，图2为不同电压下重金属cd去除率的比较，从图中可以看出，闭路条件下浓度为20mg/l镉离子在0.5v、0.7v、1v的电压下的去除率分别为90.8％、92.75％、83％，40mg/l镉离子在0.5v、0.7v、1v的电压下的去除率分别为94.38％、97.41％、99.13％。从不同电压下，可知电压越大，反应越快，镉离子降解的越快，但20mg/l在1v电压下的数据存在误差。
45.图3为不同时间下重金属cd去除率的比较，从图中可以看出，闭路条件下浓度为20mg/l镉离子在0.5v电压下1d、2d、4d的去除率分别为58％、65％、88％。从不同时间下的去除率比较可以得知完全去除废水中的镉离子需要4天的时间。
46.本实施例中，还包括电热隔板6，所述电热隔板6分别设置在化工污泥层1与化工污泥浸取液层2之间和电化学装置层与化工污泥浸取液层2之间，电热隔板6与化工污泥层1、化工污泥浸取液层2和电化学装置层的侧壁固定，通过电热隔板6将化工污泥层1和化工污泥浸取液层2、化工污泥浸取液层2和电化学装置层分离，其中所述电热隔板6的温度为20～35℃，为生物电化学系统提供稳定的、易适于微生物生存的温度；所述电热隔板6上开设有若干通孔，通过通孔使化工污泥层1、化工污泥浸取液层2和电化学装置层连通。
47.本实施例中，所述数据采集器5并联有电源7；所述电源7为直流稳压电源，电源间歇式输出电压为0.3v和0.5v，间歇时间为4h，为微生物电解池提供电源。
48.本实施例中，所述共用阳极室31或共用阴极室32顶部开设有进气孔33，通过进气孔33向共用阳极室31和共用阴极室32中曝高纯度氮气以驱逐装置溶液中的溶解氧。
49.本实施例中，所述共用阴极室32一侧上方开设有出水口34，将降解后化工污泥浸取液排出，通过进水口21，将缓冲溶液和营养液通入化工污泥浸取液层2，水位不断上升，电化学装置层将化工污泥浸取液降解，随后从出水口34排出。
50.本实施例中，所述化工污泥层1底部开设有进污泥口11，通过进污泥口11向化工污泥层1通入带降解的污泥，所述进污泥口11上连接有进污泥管；所述进污泥管上安装有进污泥阀门，通过关闭进污泥阀门，防止污泥倒流。
51.本实施例中，所述集流体为碳棒、不锈钢网、碳纳米管或铂网中的任意一种；所述纳米碳材料为碳球或碳毡块；所述中介体为圆柱形的铜粒或铁粒。
52.本发明还提供一种生物电化学系统的使用方法，采用上述的一种生物电化学系统，降解化工污泥中的重金属离子和处理化工污泥中有机物，包括以下步骤：
53.将生物阳极和生物阴极进行驯化，将缓冲溶液和营养液通过进水口21通入化工污泥浸取液层2中，形成化工污泥浸取液，并通过进气口通入氮气，之后水位逐渐上移，电化学装置层对化工污泥浸取液进行处理，然后从出水口34排出处理后的化工污泥浸取液。
54.本实施例中，所述生物阳极的驯化步骤为：在单室微生物电解池中添加20％的好氧菌和厌氧菌的混合菌源和80％磷酸缓冲溶液以及营养液，并施加1.5～2.0v电压，连接万用表监测电解池的输出电流；每隔0.5h记录一次电流，直至输出电流达到1ma以上直至稳定的最大值，表明降解乙酸钠生物膜碳毡阳极驯化成熟；
55.所述生物阴极的驯化步骤为：通过电极极性反转将生物阳极在含有产电菌群与碳源的电解质溶液中进行驯化，即模拟电解液中的重离子浓度以5～20mg/l逐步递增，直至在多个批次中得到稳定的重金属去除率，得到抗单一重金属毒性的生物阴极。
56.对处理过的化工污泥废水进行有机物的氧化处理，进行前后比较，可知，本系统有效的去除了化工污泥中的有机物。
57.图4为阳极有机物的cod随时间变化关系图，化学需氧量(cod)往往作为衡量水中有机物质含量多少的指标，化学需氧量越大，说明水体受有机物的污染越严重，如图4所示，在前15h的化学需氧量的速度较慢，在30hcod降低到100mg/l一下，表明本系统在有限的时间内可以有效的降低污泥中所残留的有机物，达到所排放要求。

技术特征：
1.一种生物电化学系统，其特征在于，包括化工污泥层(1)、化工污泥浸取液层(2)和电化学装置层，所述电化学装置层包括共用阳极室(31)和共用阴极室(32)，所述共用阳极室(31)和共用阴极室(32)均设置在化工污泥浸取液层(2)的上方；所述共用阳极室(31)和共用阴极室(32)之间设置有质子交换膜；所述共用阳极室(31)内设有电解液和生物阳极；所述生物阳极包括电池阳极(311)和电解池阳极(312)，所述共用阴极室(32)内设有中介体和生物阴极；所述生物阴极包括电池阴极(321)和电解池阴极(322)，所述电池阳极(311)和电解池阳极(312)并联设置；所述电池阴极(321)和电解池阴极(322)并联设置；所述电池阳极(311)通过导线和固定电阻箱(4)与电池阴极(321)电性连接；所述电解池阳极(312)通过导线和数据采集器(5)与电解池阴极(322)电性连接；所述化工污泥浸取液层(2)在化工污泥层(1)的上方，且化工污泥浸取液层(2)一侧开设有进水口(21)。2.根据权利要求1所述的一种生物电化学系统，其特征在于，还包括电热隔板(6)，所述电热隔板(6)分别设置在化工污泥层(1)与化工污泥浸取液层(2)之间和电化学装置层与化工污泥浸取液层(2)之间；所述电热隔板(6)的温度为20～35℃；所述电热隔板(6)上开设有若干通孔。3.根据权利要求1所述的一种生物电化学系统，其特征在于，所述生物阳极由集流体和负载生物膜的纳米碳材料组成；所述生物阴极由负载生物膜的纳米碳材料组成。4.根据权利要求3所述的一种生物电化学系统，其特征在于，所述集流体为碳棒、不锈钢网、碳纳米管或铂网中的任意一种；所述纳米碳材料为碳球或碳毡块；所述中介体为圆柱形的铜粒或铁粒。5.根据权利要求1所述的一种生物电化学系统，其特征在于，所述数据采集器(5)并联有电源(7)；所述电源(7)为直流稳压电源。6.根据权利要求1所述的一种生物电化学系统，其特征在于，所述共用阳极室(31)或共用阴极室(32)顶部开设有进气孔(33)。7.根据权利要求1或6所述的一种生物电化学系统，其特征在于，所述共用阴极室(32)一侧上方开设有出水口(34)。8.根据权利要求1所述的一种生物电化学系统，其特征在于，所述化工污泥层(1)底部开设有进污泥口(11)，所述进污泥口(11)上连接有进污泥管；所述进污泥管上安装有进污泥阀门。9.一种生物电化学系统的使用方法，其特征在于，采用如权利要求1～8任一项所述的一种生物电化学系统，包括以下步骤：将生物阳极和生物阴极进行驯化，将缓冲溶液和营养液通过进水口(21)通入化工污泥浸取液层(2)中，形成化工污泥浸取液，并通过进气口(33)通入氮气，之后水位逐渐上移，电化学装置层对化工污泥浸取液进行处理，然后从出水口(34)排出处理后的化工污泥浸取液。
10.根据权利要求9所述的一种生物电化学系统的使用方法，其特征在于，所述生物阳极的驯化步骤为：在单室微生物电解池中添加20％的好氧菌和厌氧菌的混合菌源和80％磷酸缓冲溶液以及营养液，并施加1.5～2.0v电压，直至输出电流最大值；所述生物阴极的驯化步骤为：通过电极极性反转将生物阳极在含有产电菌群与碳源的电解质溶液中进行驯化。

技术总结
本发明涉及一种生物电化学系统，包括化工污泥层、化工污泥浸取液层和电化学装置层，电化学装置层包括共用阳极室和共用阴极室；共用阳极室内设有电解液和生物阳极；生物阳极包括电池阳极和电解池阳极，共用阴极室内设有中介体和生物阴极；生物阴极包括电池阴极和电解池阴极，电池阳极和电解池阳极并联设置；电池阴极和电解池阴极并联设置；电池阳极与电池阴极连接；电解池阳极与电解池阴极连接。本发明通过生物阳极上微生物氧化有机物，通过电池阳极和电池阴极组成原电池，可以自发还原高氧化还原的重金属离子，电解池阴极通过外加电压，使得电子到达阴极，低氧化还原的离子被还原，实现了重金属和有机物的同步有效去除，工艺简单，操作方便。操作方便。操作方便。


技术研发人员：赵煜 王霞霞 张武胜 王海成
受保护的技术使用者：太原理工大学
技术研发日：2023.03.23
技术公布日：2023/7/18