利用生物沥滤耦合电极电渗析技术回收电镀污泥中重金属的装置及方法

技术领域

本发明涉及重金属回收技术领域，具体涉及一种利用生物沥滤耦合电极电渗析技术回收电镀污泥中重金属的装置及方法。

背景技术

生物沥滤是利用微生物产酸而将固体中的金属溶出的技术。该技术最早应用于利用细菌处理低品位、分散、难处理的矿称为生物浸矿或生物湿法冶金。生物沥滤的研究主要集中在利用氧化硫硫杆菌和氧化亚铁硫杆菌的混合菌两个方向。生物淋滤法耗酸少、运行成本低、实用性强，是经济有效、具有潜力的重金属去除方法。

电渗析技术(ED)由德国科学家Morse和Pierce在1903发现，是膜分离技术的一种。它是在直流电场的作用下，以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过性，把电解质从溶液中分离出来，从而实现溶液的淡化、浓缩、精制或纯化的目的。

该技术由于操作简便和无污染等特点，广泛运用于脱盐和工业废水的处理。对于工业废水的处理主要集中在含盐、金属和放射性物质等废水的处理方面，对于危险废物处理方面的研究却很少。

电镀污泥从1998首次列入危险废物之后，便一直被收录在《国家危险废物名录》中。其通常含有大量重金属(Cr、Zn、Cu、Fe、Ni等)，成分复杂，危害隐患大，具有易迁移、含水率高、灰分高、热稳定性高等特点,中国每年约会产生1000万吨的电镀污泥(Electroplating sludge，EPS)，但仅仅在中国，每年也会浪费超过10万吨以电镀污泥形式存在的有价值的重金属。电镀污泥的处置成本高，倘若处置不善，可能会出现雨水淋溶、挥发迁移的现象，对人体以及环境带来严重潜在危害。另一方面，由于电镀污泥含有大量具有回收价值的重金属，是潜在的资源，因此更大程度上地降低重金属毒性并实现有价金属的回收、再利用成为研究重点，回收重金属不仅能创造经济效益也会产生一定的生态效益，实现双赢。

生物沥滤技术及相关电渗析技术单独应用于电镀污泥重金属回收时存在效率不高，成本高，运行时间长等缺点，而生物沥滤技术与电渗析技术耦合应用于电镀污泥重金属回收国内外鲜有报道，且反应参数优化不到位。

发明内容

本发明提供了一种利用生物沥滤耦合电极电渗析技术回收电镀污泥中重金属的装置及方法，该装置可通过利用生物沥滤增加生物沥滤室电镀污泥重金属以离子态溶出，并实现阴阳离子分离，在阴极室实现Cu、Zn、Cr、Ni等金属的回收。

一种利用生物沥滤耦合电极电渗析技术回收电镀污泥中重金属的装置，包括阴极室和阳极室，还包括：

设置在所述阴极室和阳极室之间的生物沥滤室，所述的生物沥滤室内设置有搅拌桨和pH测定感应探头；

设置在所述阴极室内第一参比电极和阴极电极；

设置在所述阳极室内第二参比电极和阳极电极；

所述的第一参比电极和第二参比电极通过导线与外接电源连接；

所述的阴极电极和阳极电极通过导线与电化学工作站连接。

本发明中，在中间生物沥滤室添加了电机与搅拌桨，实现自动搅拌，一方面可以保证氧气浓度充足的菌种生长条件，另一方面有助于减少电镀污泥的沉降，尽可能保持待处理悬浊液均匀，便于提高处理效果。在中间生物沥滤室添加了pH测定感应探头，可实现实时监测pH变化情况，并呈现于显示控制面板上。

所述的搅拌桨连接有搅拌电机，所述的搅拌电机安装在所述生物沥滤室的外侧。搅拌电机驱动搅拌桨转动，实现自动搅拌，一方面可以保证氧气浓度充足的菌种生长条件，另一方面有助于减少电镀污泥的沉降，尽可能保持待处理悬浊液均匀，便于提高处理效果。

所述的pH测定感应探头通过导线与显示控制面板连接，可实现实时监测pH变化情况，并呈现于显示控制面板上。

所述的生物沥滤室呈圆柱体型，一方面便于搅拌，另一方面增大体积，提升生物沥滤效率。

所述阴极室内，所述的阴极电极相对于所述第一参比电极更靠近所述生物沥滤室，即所述的阴极电极设置在更靠近所述生物沥滤室的一侧。所述阳极室内，所述的阳极电极相对于所述第二参比电极更靠近所述生物沥滤室。即所述的阳极电极设置在更靠近所述生物沥滤室的一侧。本发明中，特意将参比电极设置在阴阳极电极外侧，减少阴阳电极间的距离，加强电渗析作用，更好地实现金属离子的迁移。

所述的阴极室与生物沥滤室相连处在中间进行开孔，形成阳离子膜孔，开孔尺寸与阴极室侧面内尺寸(去壁厚)相同。阳离子膜覆盖所述阳离子膜孔并夹于所述阴极室与生物沥滤室相连处，先进行阳离子膜的放置后进行螺栓的连接。

所述的阳极室与生物沥滤室相连处在中间进行开孔，形成阴离子膜孔，开孔尺寸与阳极室侧面内尺寸(去壁厚)相同；阴离子膜覆盖所述阴离子膜孔并夹于所述阳极室与生物沥滤室相连处，先进行阴离子膜的放置后进行螺栓的连接。

阳离子膜孔与阴离子膜孔尺寸分别小于阳离子膜与阴离子膜。

所述的阴极室上设有阴极室取样孔，所述的生物沥滤室上设有沥滤室取样孔，所述的阳极室上设有阳极室取样孔，阴极室取样孔、沥滤室取样孔以及阳极室取样孔尺寸相同，分别开设于阴极室、生物沥滤室、阳极室下端，用于取样。

第一参比电极、第二参比电极与电化学工作站相连接，实时测定阴极室与阳极室的电势、电流变化情况。

一种利用生物沥滤耦合电极电渗析技术回收电镀污泥中重金属的方法，采用利用生物沥滤耦合电极电渗析技术回收电镀污泥中重金属的装置，该方法包括：

1)于阴极室内放置相应阴极液，于阳极室内放置阳极液，于生物沥滤室放置培养基进行氧化亚铁硫杆菌及氧化硫硫杆菌培养，电镀污泥置于生物沥滤室中，通过搅拌桨保持氧气浓度并保持污泥浓度均匀(防止电镀污泥沉降于底部)，培养菌种以及沥滤过程中pH测定感应探头实时测定生物沥滤室的pH并呈现于显示控制面板，作为实验标志指标之一；

2)阴极电极、阳极电极与外接电源相连接，并设定稳定外接电压，以外加电压作为驱动力，利用电渗析技术使生物沥滤室中的重金属发生迁移，阴离子通过阴离子膜迁移至阳极室，阳离子通过阳离子膜迁移至阴极室，在阴极室调节阴极液pH，实现重金属的沉降与回收。

步骤1)中，利用氧化亚铁硫杆菌以及氧化硫硫杆菌的生物沥滤作用，将电镀污泥中的重金属以水溶离子态沥滤于溶液中。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明中，在中间生物沥滤室添加了电机与搅拌桨，实现自动搅拌，一方面可以保证氧气浓度充足的菌种生长条件，另一方面有助于减少电镀污泥的沉降，尽可能保持待处理悬浊液均匀，便于提高处理效果。中间生物沥滤室设计成圆柱体型，一方面便于搅拌，另一方面增大体积，提升生物沥滤效率。在中间生物沥滤室添加了pH测定感应探头，可实现实时监测pH变化情况，并呈现于显示控制面板上。将参比电极设置在阴阳极电极外侧，减少阴阳电极间的距离，加强电渗析作用，更好地实现金属离子的迁移。该装置可通过利用生物沥滤增加生物沥滤室电镀污泥重金属以离子态溶出，并实现阴阳离子分离，在阴极室实现Cu、Zn、Cr、Ni等金属的回收。

附图说明

图1为本发明利用生物沥滤耦合电极电渗析技术回收电镀污泥中重金属的装置的结构示意图；

图2为本发明利用生物沥滤耦合电极电渗析技术回收电镀污泥中重金属的装置的正面结构示意图；

图3为图2中俯视状态的结构示意图；

图4为阴离子膜孔和阳离子膜连接处的结构示意图；

图5为阳离子膜孔和阴离子膜连接处的结构示意图；

图6为重金属Cu、Cr、Ni、Zn去除率时间变化图；

图中：(1)阴极室；(2)生物沥滤室；(3)阳极室；(4)螺栓；(5)参比电极1(即第一参比电极)；(6)阴极电极；(7)参比电极2(即第二参比电极)；(8)阳极电极；(9)搅拌电机；(10)搅拌桨；(11)阴极室取样孔；(12)沥滤室取样孔；(13)阳极室取样孔；(14)参比电极孔1(即第一参比电极孔)；(15)阴极电极孔；(16)阳极电极孔；(17)参比电极孔2(即第二参比电极孔)；(18)搅拌孔；(19)阳离子膜孔；(20)阴离子膜孔；(21)阳离子膜；(22)阴离子膜；(23)导线1(即第一导线)；(24)导线2(即第二导线)；(25)导线3(即第三导线)；(26)导线4(即第四导线)；(27)外接电源；(28)电化学工作站；(29)pH测定感应探头；(30)显示控制面板；(31)固定钉；(32)导线5(即第五导线)；(33)外接电阻。

具体实施方式

下面结合附图对本发明利用生物沥滤耦合电极电渗析技术回收电镀污泥中重金属的装置作进一步详细描述。

如图1～5所示，本发明利用生物沥滤耦合电极电渗析技术回收电镀污泥中重金属的装置，包括：阴极室1和阳极室3；

设置在所述阴极室1和阳极室3之间的生物沥滤室2，生物沥滤室2内设置有搅拌桨10和pH测定感应探头29；

设置在阴极室1内第一参比电极5和阴极电极6；

设置在阳极室3内第二参比电极7和阳极电极8；

第一参比电极5和第二参比电极7通过导线4(即第四导线)26与外接电源27连接；

阴极电极6和阳极电极8通过导线2(即第二导线)24与电化学工作站28连接。

1)结构连接：

阴极室1用螺栓4固定于生物沥滤室2左侧；阳极室3用螺栓4固定于生物沥滤室2右侧；

阴极室1与生物沥滤室2相连处在中间进行开孔，形成阳离子膜孔19，开孔尺寸与阴极室侧面内尺寸(去壁厚)相同；

阳极室3与生物沥滤室2相连处在中间进行开孔，形成阴离子膜孔20，开孔尺寸与阳极室侧面内尺寸(去壁厚)相同；

阳离子膜孔19与阴离子膜孔20尺寸分别小于阳离子膜21与阴离子膜22；

阳离子膜21覆盖阳离子膜孔19夹于阴极室1与生物沥滤室2相连处，先进行阳离子膜的放置后进行螺栓4的连接；

阴离子膜22覆盖阴离子膜孔20夹于阳极室3与生物沥滤室2相连处，先进行阴离子膜的放置后进行螺栓5的连接；

搅拌电机9通过螺栓4固定于生物沥滤室2左侧连接板上侧，搅拌桨10固定于搅拌电机9上并伸入搅拌孔18进行搅拌；

参比电极1(即第一参比电极)5安装在参比电极孔1(即第一参比电极孔)中，参比电极1(即第一参比电极)5用导线1(即第一导线)23与电化学工作站28相连接。参比电极2(即第二参比电极)7安装在参比电极孔2(即第二参比电极孔)中，参比电极2(即第二参比电极)7用导线2(即第二导线)24与电化学工作站28相连接；

阴极电极6用导线3(即第三导线)25与外接电源27相连接，阳极电极8用导线4(即第四导线)26与外接电源27相连接；

阴极室取样孔11、沥滤室取样孔12以及阳极室取样孔13尺寸相同，分别开设于阴极室1、生物沥滤室2、阳极室3下端，用于取样。

pH测定感应探头29用导线5(即第五导线)32与显示控制面板30连接，并用固定钉31固定导线5(即第五导线)32于生物沥滤室2上侧，防止pH测定感应探头29滑动造成数据不稳等。

2)工作原理：

于阴极室1内放置相应阴极液，于阳极室3内放置阳极液，于生物沥滤室2放置最佳条件的培养基进行氧化亚铁硫杆菌及氧化硫硫杆菌培养，电镀污泥置于生物沥滤室2中，通过搅拌桨11保持氧气浓度并保持污泥浓度均匀，防止电镀污泥沉降于底部，培养菌种以及沥滤过程中pH测定感应探头30实时测定生物沥滤室2的pH并呈现于显示控制面板31，作为实验标志指标之一。利用氧化亚铁硫杆菌以及氧化硫硫杆菌的生物沥滤作用，将电镀污泥中的重金属以水溶离子态沥滤于溶液中。

阴极电极7、阳极电极9与外接电源29相连接，并设定稳定外接电压，以外加电压作为驱动力，利用电渗析技术使生物沥滤室2中的重金属发生迁移，阴离子通过阴离子膜24迁移至阳极室3，阳离子通过阳离子膜23迁移至阴极室1，在阴极室调节阴极液pH，实现重金属的沉降与回收。

参比电极1(即第一参比电极)6、参比电极2(即第二参比电极)8与电化学工作站30相连接，实时测定阴极室与阳极室的电势、电流变化情况。

3)装置的准备与处理效果：

该装置可通过利用生物沥滤增加生物沥滤室2电镀污泥重金属以离子态溶出，并实现阴阳离子分离，在阴极室实现Cu、Cr、Ni、Zn等金属的回收。装置的准备工作主要是进行菌液的富集培养，而后进行反应器生物淋滤实现重金属的溶出。

生物沥滤室2主要通过氧化亚铁硫杆菌以及氧化硫硫杆菌实现生物淋滤，第一步首先完成菌液富集培养：

氧化硫硫杆菌：将污泥用水稀释将含固率稀释到4％，取25ml污泥样品置于500ml血清瓶中(用稀硫酸调pH至4)，加入250ml Waksman液体培养基中进行富集培养，置于温度30℃，转速180r/min的恒温摇床中进行富集培养。三次传代培养(30℃，180r/min)后，在对数期收获细胞。

配置1L Waksman液体培养基：

称取硫酸铵(NH

氧化亚铁硫杆菌：将污泥用水稀释将含固率稀释到4％，取25ml污泥样品置于500ml血清瓶中(用稀硫酸调pH至4)，加入250ml 9K液体培养基中进行富集培养，置于温度30℃，转速180r/min的恒温摇床中进行富集培养。三次传代培养(30℃，180r/min)后，在对数期收获细胞。

配置1L 9K液体培养基：

A溶液：称取硫酸铵(NH

B溶液：称取七水合硫酸亚铁FeSO

待A液降温至70～80℃时与B液混合，用1：1的H

氧化亚铁硫杆菌及氧化硫硫杆菌可通过驯化纯化得到也可以通过以下方式购买得到：

中国微生物菌种查询网：氧化硫硫杆菌：Acidithiobacillusthiooxidans DSM504德国原装6800元

中国微生物菌种查询网：氧化亚铁硫杆菌：Acidithiobacillusferrooxidans DSM583德国原装6800元

生物沥滤第二步则是通过反应器实现生物浸出，该过程使得电镀污泥重金属以离子态溶出，并实现阴阳离子分离，最终在阴极室实现Cu、Cr、Ni、Zn等金属的回收，体现了装置的处理效果。

将污泥的含固率调整至3％，用1：1的H

表1重金属Cu、Cr、Ni、Zn去除率时间变化数据表

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。