本发明属于废水处理技术领域，具体涉及一种生物电化学系统和废水处理的方法。
背景技术：
随着石油化工、造纸、矿石开采和机械制造等产业的迅猛发展，大量含重金属有机废水的排放成为对环境的一大威胁，如何高效去除废水中的重金属和有机污染物逐渐成为了废水处理领域中的研发热点。目前处理重金属有机废水的方法主要为将重金属去除的方法和降解有机污染物的方法组合起来，共同去除废水中的重金属和有机污染物。处理废水中重金属的方法包括：化学沉淀法、吸附法、离子交换法和生化处理法等，然而，上述方法结合其他降解有机污染物的组合方法可以使得废水经过处理后可达标排放，但这些组合方法仍存在多种不足，如二次污染和处理成本高等问题。
生物电化学系统(bes)是将生物法和电化学法结合起来的一种处理污染废水的新方法。其处理原理是利用具有电活性的微生物使废水中的污染物在生物和电化学双重作用下得到降解去除，而且微弱的电流还可以刺激微生物的代谢活动。其作为一种环境友好型的方法，近年来得到了迅速的发展。然而，采用这类系统处理重金属有机污染废水时，废水需要利用其它工艺去除有机物，再通入bes阴极室内作进一步的重金属去除处理，存在工序繁琐和处理时间长的问题，处理成本较高，还容易存在二次污染。
技术实现要素：
为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种生物电化学系统和，用于在阳极室中同步处理废水中的重金属和有机污染物。
本发明的具体技术方案如下：
一种生物电化学系统，包括：反应器，设于所述反应器内的质子交换膜，所述质子交换膜将反应器分隔成左右分布的阳极室和阴极室，设于所述阳极室内的阳极，设于所述阴极室内的阴极，电阻，将所述阳极和阴极与所述电阻串联形成闭合电路的导线；
所述阳极的表面附着有电活性生物膜。
优选的，所述阴极室内填充的阴极液含哌嗪-1,4-二乙磺酸和铁氰化钾；
所述阴极室的外表面遮光处理。
更优选的，所述哌嗪-1,4-二乙磺酸和铁氰化钾的浓度均为50mm。
优选的，所述阳极和阴极为石墨毡；
所述电阻为500～530ω；
所述导线为钛丝。
优选的，所述反应器为双室反应器；
所述阳极室和阴极室为圆柱形腔室。
本发明还提供了一种废水处理的方法，基于上述生物电化学系统，具体包括以下步骤：
a)在阳极室内接种活性污泥，注入废水，在阳极上进行微生物挂膜；
b)在阳极室中注入废水，在25～35℃下启动所述生物电化学装置，处理6个周期以上，每个周期5～7天；
所述活性污泥的接种量为阳极室容积的8％～10％；
在阳极上进行微生物挂膜后在阳极表面形成电活性生物膜，所述电活性生物膜含stenotrophomonas属革兰氏阴性菌。
和现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)本发明所提供的生物电化学系统包括：由质子交换膜将反应器分隔成左右分布的阳极室和阴极室，以及设于阳极室内的阳极表面附着有电活性生物膜，结构简单，系统维护简单方便；
2)本发明的电活性生物膜中的微生物为混合菌群，在其电化学催化作用下，废水中的重金属离子和有机污染物可在阳极室内被同步去除或降解，高效彻底，操作简单，可避免二次污染；
3)本发明所提供的废水处理的方法，通过在阳极室中注入废水，在25～35℃下启动上述生物电化学装置，处理6个周期以上，每个周期5～7天，如此即可实现在阳极室中去除重金属离子和有机污染物，工序节约，处理时间短。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为实施例1所提供的生物电化学系统的结构示意图；
图2为实施例1和实施例2中的重金属和乙酸钠的去除率变化趋势图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
1、构建生物电化学系统
如图1所示，本实施例的用于同步处理废水中重金属和有机物的生物电化学系统包括：反应器7，设于反应器7中的质子交换膜4，质子交换膜4将反应器7分隔成左右分布的阳极室1和阴极室5，设于阳极室1内的阳极2，设于阴极室5内的阴极3，510ω的电阻6，将阳极2和阴极3与电阻6连接起来的导线9。
阳极2的表面附着有电活性生物膜，该生物膜为具有电活性的微生物混合菌群在电极材料表面驯化形成的一层薄的生物膜，含对去除重金属和/或降解有机污染物存在优势的菌群。
阳极2和阴极3选为石墨毡，导线9为钛丝，反应器7为双室反应器构型，阳极室1和阴极室5均为圆柱形腔室。
2、阳极电活性生物膜的驯化
1)在阳极室内按阳极室容积10％的接种量接入市政废水处理厂厌氧工艺段污泥，并添加1g/l乙酸钠作为模拟废水有机物，同时添加微生物生长必须的其他微量元素(如：mg2+、mn2+、na+、fe2+、ca2+等)和维生素(如：维生素h、b、b6、b2、b1、b5、b12，以及烟酸、对氨基酸甲酸和硫辛酸等)。同时，阳极室内还加入50mm、ph值为7的缓冲液哌嗪-1,4-二乙磺酸(pipes)，用于调节溶液的ph值，并能避免与废水中的重金属离子产生络合反应；以及补充3.1g/lnh4cl和1.3g/lkcl，用于提升电导率，以促进溶液中电子的传递。
在本实施例中，阳极室媒介中所添加的配方1为：3g/lmgso4、0.5g/lmnso4·h2o、1g/lnacl、0.1g/lfeso4·7h2o、0.1g/lcacl2·2h2o、0.025g/lna2wo4·2h2o；配方2为：0.2g/l维生素h、0.2g/l维生素b、1g/l维生素b6、0.5g/l维生素b2、0.5g/l维生素b1、0.5g/l烟酸、0.5g/l维生素b5、0.01g/l维生素b12、0.5g/l对氨基酸甲酸和0.5g/l硫辛酸。
2)在阴极室中加入含50mm、ph值为7.0的哌嗪-1,4-二乙磺酸(pipes)和作为电子受体的50mm铁氰化钾，并对阴极室进行遮光处理。
3)分别向阳极室和阴极室内通入n2以除去反应器中的空气，通入n2的时间为20min；再用胶头塞塞于两室的开口，以密封阳极室和阴极室；
4)采用导线将阳极和阴极与电阻串联起来形成一个闭合电路，再与电阻并联接入数据采集器。
5)将反应器置于30℃的恒温培养箱中，监控该闭合电路的电压，待电压停止下降并低于0.02v时更换新鲜的阳极和阴极的媒介。如此重复循环，直至更换媒介前后的电压稳定，此时菌群已稳定的富集到阳极电极上，表明挂膜成功。在本实施例中，驯化过程持续2～3个月，一个驯化周期为5～6天。
对在阳极表面驯化完全的微生物菌种进行分析鉴定，发现本实施例中电活性生物膜中的微生物为混合菌群，含对有机污染物降解和重金属去除有优势的电活性微生物假寡氧假单胞菌stenotrophomonas属革兰氏阴性菌，该电活性微生物为已知菌种。在对cu的处理过程中，cu2+浓度的增大引起生物膜中的stenotrophomonas属抗性作用机制的增强，使其能够在处理cu的同时还对产电的过程中起到重大作用。
3、生物电化学系统运行
以cu2+模拟废水中的重金属离子，以6天为一个周期，每一个周期更换新鲜的阳极液和阴极液；在第1～3周期中，阳极室内的媒介不含cucl2；在第4～6个周期时，更换的新鲜阳极室媒介中加入2mg/l的cucl2；在第7～9个周期时，更换的新鲜阳极室媒介中加入4mg/l的cucl2；在第10个周期时，更换的新鲜阳极室媒介中加入6mg/l的cucl2。
然后，分别记录第1～10个周期的最大电压和功率密度；再分别采用离子色谱法和原子火焰吸收法检测第4～10个周期的阳极液中乙酸钠含量和铜离子含量，并计算每个周期的阳极室中乙酸钠和铜离子的去除率。
如表1检测结果所示，随着重金属铜离子浓度的上升，闭合电路的最大电压和功率密度均呈下降的趋势，说明重金属对阳极上附着的微生物菌群的电活性具有抑制作用。
去除率的计算公式为(c进-c出)/c进×100％，其中c进为每周期阳极室中更换新鲜溶液时重金属盐或有机污染物的工作浓度；c出为下一周期阳极室中更换新鲜溶液前重金属盐或有机污染物的工作浓度。如表1和图2中重金属和乙酸钠的去除率变化趋势所示，采用本实施例所提供的方法，有机污染物和重金属的去除率均在95％以上，有时甚至接近100％，说明本发明所提供的方法可同时在阳极室中降解乙酸钠和去除重金属离子。
表1
实施例2
本实施例和实施例1的区别在于，生物电化学系统中不接入电阻，阳极和阴极处于开路状态。其余地方和实施例1基本相同，此处不再一一赘述。
然后，采用离子色谱法和原子火焰吸收法检测第4～10个周期的阳极液中乙酸钠含量和铜离子含量，并计算每个周期的阳极室中乙酸钠和铜离子的去除率。
如表2和图2的检测结所示，乙酸钠和氯化铜的去除率在72％以下，该状态下的生物电化学装置对乙酸钠和氯化铜的去除效果较差。将表1和表2的结果进行对比，可发现在阳极室中，闭路状态下的有机物和重金属的去除率明显高于开路状态下的去除率。
表2
实施例3
1、基于实施例1的生物电化学系统，在阳极室中接入市政废水处理厂厌氧工艺段污泥，接种量为10％，然后通入废水，剩下步骤按照按实施例1的步骤2所示，在阳极的表面附着电活性生物膜。
2、将510ω电阻接在闭合电路中，往阳极室中注入过筛的含5mg/lcu的低浓度畜禽养殖废水，其中经检测有机污染物(cod)的进水浓度为891mg/l，然后接通闭合电路，启动生物电化学系统运行。维持工作环境温度为30℃，将废水的一个循环周期控制在6天，处理6个周期后将处理后的废水排出。
经检测发现，闭路状态下和开路状态下阳极室内cu2+的去除率分别为97.93％和63.44％，cod去除率为98.76％和45.38％。
对比例1
heijne等人在2010年时将重金属铜置于阴极室的好氧和厌氧条件下进行处理，重金属分别达到84％(0.43wm-2功率密度)和43％(0.80wm-2功率密度)。
参考文献：heijneat,liuf,weijdenrvd,weijmaj,buismancjn,hamelershvm(2010)copperrecoverycombinedwithelectricityproduc-tioninamicrobialfuelcell.environscitechnol44：4376–4381。
对比例2
liang等人在2011年的研究中同样使用双室微生物燃料电池阴极室对铜进行处理，使用硫酸铜溶液为电解液在288小时处理后去除率达到97.8％。
参考文献：liangm,taohc,lisf,liw,zhangli,nijr(2011)treatmentofcu2-containingwastewaterbymicrobialfuelcellwithexcesssludgeasanodicsubstrate.environscitechnol32：179–185。
对比例3
li等将300mg/lnavo3溶液加入到mfc阳极室研究了v(v)的还原情况，电流输出达到了0.6ma，navo3还原率达到了72％。
参考文献：liy,lua,dingh,etal.cr(vi)reductionatrutile-catalyzedcathodeinmicrobialfuelcells[j].electrochemistrycommunications,2009,11(7)：1496-1499。