申请日2017.12.11
公开(公告)日2018.06.19
IPC分类号C02F3/02; C02F3/00; C02F3/34
摘要
本发明涉及一种三维电极生物膜与光电复氧协同处理污废水的反应装置及方法，所述装置过滤区和反应区，所述过滤区和反应区由隔板分开且两者通过隔板上的过水孔连通;所述反应区包括极板系统、隔离膜、第一填料和第二填料;所述极板系统包括设置在反应区中部的正极板和所述正极板两侧平行等距设置的两个负极板;所述两个负极板表面裹绕若干层生物膜;所述隔离膜包裹所述正极板并位于所述正极板和负极板中间;在所述隔离膜和所述反应区的壳体的空间填充所述第一填料，在隔离膜内部空间填充所述第二填料。采用本发明反应装置来处理废水;实现了光电化学处理、曝气生物滤池和电化学氧化的协同效果;简化了操作流程，使电耗降低，处理成本降低。
权利要求书
1.一种三维电极生物膜与光电复氧协同处理污废水的反应装置，其特征在于，所述装置包括一壳体，所述壳体两侧分别设有污水进水口和净水出水口，所述壳体包括与污水进水口相连的过滤区和与净水出水口相连的反应区，所述过滤区和反应区由隔板分开且两者通过隔板上的过水孔连通;并且所述过水孔上设有微孔膜;所述反应区包括极板系统、隔离膜、第一填料和第二填料;所述极板系统包括设置在反应区中部的正极板和所述正极板两侧平行等距设置的两个负极板;所述两个负极板表面裹绕若干层生物膜;所述隔离膜包裹所述正极板并位于所述正极板和负极板中间;在所述隔离膜和所述反应区的壳体的空间填充所述第一填料，在隔离膜内部空间填充所述第二填料;其中，所述第一填料为裹绕生物膜的微颗粒，所述第二填料为吸附有光催化剂的微颗粒;所述净水出水口设有微孔膜。
2.如权利要求1所述的三维电极生物膜与光电复氧协同处理污废水的反应装置，其特征在于，所述隔离膜为醋酸纤维膜。
3.如权利要求1所述的三维电极生物膜与光电复氧协同处理污废水的反应装置，其特征在于，所述微颗粒为硅胶吸附颗粒，所述光催化剂颗粒直径50～400nm;材料为锐钛矿型TiO2，或者掺杂少许纳米铂或锌金属颗粒的锐钛矿型TiO2;所述纳米TiO2光催化剂用量为5～10g/L，优选为6～8g/L。
4.如权利要求1所述的三维电极生物膜与光电复氧协同处理污废水的反应装置，其特征在于，所述第一填料和第二填料的分布密度为50～150g/L，优选为60～90g/L。
5.如权利要求1所述的三维电极生物膜与光电复氧协同处理污废水的反应装置，其特征在于，在所述正极板和负极板上端边缘分别设有正极板接电柄和负极板接电柄;所述正极板接电柄和负极板接电柄的尺寸为10×5cm;所述过滤区填料为石英砂。
6.如权利要求1所述的三维电极生物膜与光电复氧协同处理污废水的反应装置，其特征在于，所述正极板为Ebonex多孔陶瓷电极，所述负极板为草酸改性的钛极板。
7.如权利要求6所述的三维电极生物膜与光电复氧协同处理污废水的反应装置，其特征在于，所述正极板采用如下方法制备：首先将亚氧化钛粉末与0.5%聚丙烯酰胺及少量聚乙烯醇粘结剂混合环磨6小时，然后过300目振动筛;将得到的陶瓷粉体进行造粒，控制颗粒含水率为5%左右，粒度为40～80目;之后在700kg/m2的压力下在模具中制成厚度为3.5mm的陶瓷坯板;初坯在85℃下进行热处理24h，去除初坯中的水分和有机粘结剂;最后在1350℃的真空炉中烧结11h，即可制得Ebonex多孔陶瓷电极。
8.如权利要求6所述的三维电极生物膜与光电复氧协同处理污废水的反应装置，其特征在于，所述负极板采用如下方法制备：将Ti板首先用300目砂纸打磨以去除表面氧化钛，然后在沸腾的10wt%NaOH溶液中1h去除Ti板表面的油污;之后，将清洗后的Ti板置于沸腾的5wt%草酸溶液(m/m)刻蚀2h成均匀麻面，清洗后在0.5vol%HF溶液中蚀刻10min使Ti表面粗糙度增大;最后，将处理完毕的Ti板置1wt%稀草酸溶液中保存，即可制得草酸改性的钛极板。
9.如权利要求1所述的三维电极生物膜与光电复氧协同处理污废水的反应装置，其特征在于，所述壳体长100～200cm、宽30～60cm、高50～100cm;所述正极板与负极板为矩形结构，长宽高保持一致，所述正极板与负极板的间距为2～10cm;所述正极板和负极板厚度为1～8mm，正极板和负极板的长度高度为所述装置的2/3～4/5。
10.一种利用权利要求1-9任意一项所述的三维电极生物膜与光电复氧协同处理污废水的反应装置处理污废水的方法，所述方法包括如下步骤：
S1，在所述反应装置前设置预处理设备，将有机污废水引入所述预处理设备，且在所述预处理设备中将水体的PH调节到5～9之间，过滤去大颗粒不溶性污染物，调节水温至常温;
S2，将经过S1步骤预处理后的污废水通过进水口导入所述三维电极生物膜与光电复氧协同处理污废水的反应装置，在所述反应装置内对水体中污染物进行降解催化氧化净化处理;
S3，将S2步骤净化处理后的水体由出水口通过排水设备进行收集;进一步过滤后排放。
说明书
三维电极生物膜与光电复氧协同处理污废水的装置与方法
技术领域
本发明属于污废水处理技术领域，特别涉及采用电催化、光催化与生物膜技术结合的处理装置与方法。
背景技术
进入20世纪以来，随着现代工业的迅猛发展，产生了大量无法被自然降解的有机污染物。这些污染物的存在对生态环境与人类生存造成了严重威胁。为了应对日益严峻的环境威胁，人类开始尝试应用各种技术手段来处理这些难以降解的有机污染物。高级氧化法由于可将绝大部分有机物完全矿化或分解，近年来被广泛应用于高浓度有机污染物处理当中。
电催化氧化法作为高级氧化法之一，是指通过电极反应氧化去除污水中污染物的过程，该方法具有投药量少、产生污泥少等特点，在高浓度有机废水处理当中具有一定优势。但现有的电催化氧化反应装置仍有很多不足，例如：多组电极同时工作时，水力停留时间较长;现有装置中阳极板的活性表面层利用率较低;现有装置进水布水设备形式较为单一;现有装置在使用过程中会放出大量的热，严重影响装置的工作效率和使用寿命，等。纳米TiO2光催化氧化技术作为一种高级氧化处理的方法最近几年引起了较为广泛的重视。TiO2光催化剂具有廉价、无毒、高活性和性能稳定等优点，在降解污染物方面的研究十分活跃。但TiO2光催化剂自身也存在着难分离、易失活、回收困难及高浓度的Cl-对活性自由基·OH具有明显的猝灭作用等劣势，降低了其催化效率。
膜生物反应器技术，因其取代了传统生物处理工艺中的二沉池，实现高浓度污泥运行，具有出水水质好、运行维护简单、占地面积小、污泥浓度高、剩余污泥产量低等优点。但该技术仍有不少缺点，如：膜价格高昂、膜污染频繁、膜组件需经常清洗、更换等。
如何将光电催化技术与膜生物技术有机结合，将各自优势充分发挥，同时克服部分技术缺点，成为世界各国科研工作者的研究热点。有鉴于此，提供一种能耗小、光电催化效率高且不易积累污泥的光电催化氧化与电极生物膜协同处理污废水的反应装置及处理方法已成为现阶段亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术不足，提出一种三维电极生物膜与光电复氧协同处理污废水的反应装置与方法，解决现有技术中光电催化能耗大、效率低、易积累污泥及膜污染频繁、膜组件需经常清洗更换等技术问题。
为实现上述目的之一，本发明采用的技术方案如下：
一种三维电极生物膜与光电复氧协同处理污废水的反应装置，所述装置包括一壳体，所述壳体两侧分别设有污水进水口和净水出水口，所述壳体包括与污水进水口相连的过滤区和与净水出水口相连的反应区，所述过滤区和反应区由隔板分开且两者通过隔板上的过水孔连通;并且所述过水孔上设有微孔膜;所述反应区包括极板系统、隔离膜、第一填料和第二填料;所述极板系统包括设置在反应区中部的正极板和所述正极板两侧平行等距设置的两个负极板;所述两个负极板表面裹绕若干层生物膜;所述隔离膜包裹所述正极板并位于所述正极板和负极板中间;在所述隔离膜和所述反应区的壳体的空间填充所述第一填料，在隔离膜内部空间填充所述第二填料;其中，所述第一填料为裹绕生物膜的微颗粒，所述第二填料为吸附有光催化剂的微颗粒;所述净水出水口设有微孔膜。
进一步，所述隔离膜为醋酸纤维膜。
进一步，所述微颗粒为硅胶吸附颗粒，所述光催化剂颗粒直径50～400nm;材料为锐钛矿型TiO2，或者掺杂少许纳米铂或锌金属颗粒的锐钛矿型TiO2;所述纳米TiO2光催化剂用量为5～10g/L，优选为6～8g/L。
进一步，所述第一填料和第二填料的分布密度为50～150g/L，优选为60～ 90g/L。
进一步，在所述正极板和负极板上端边缘分别设有正极板接电柄和负极板接电柄;所述正极板接电柄和负极板接电柄的尺寸为10×5cm;所述过滤区填料为石英砂。
进一步，所述正极板为Ebonex多孔陶瓷电极，所述负极板为草酸改性的钛极板;
进一步，所述正极板采用如下方法制备：首先将亚氧化钛粉末与0.5%聚丙烯酰胺及少量聚乙烯醇粘结剂混合环磨6小时，然后过300目振动筛;将得到的陶瓷粉体进行造粒，控制颗粒含水率为5%左右，粒度为40～80目;之后在 700kg/m2的压力下在模具中制成厚度为3.5mm的陶瓷坯板;初坯在85℃下进行热处理24h，去除初坯中的水分和有机粘结剂;最后在1350℃的真空炉中烧结11h，即可制得Ebonex多孔陶瓷电极。
进一步，所述负极板采用如下方法制备：将Ti板首先用300目砂纸打磨以去除表面氧化钛，然后在沸腾的10wt%NaOH溶液中1h去除Ti板表面的油污;之后，将清洗后的Ti板置于沸腾的5wt%草酸溶液(m/m)刻蚀2h成均匀麻面，清洗后在0.5vol%HF溶液中中蚀刻10min使Ti表面粗糙度增大;最后，将处理完毕的Ti板置1wt%稀草酸溶液中保存，即可制得草酸改性的钛极板。
进一步，所述壳体长100～200cm、宽30～60cm、高50～100cm;所述正极板与负极板为矩形结构，长宽高保持一致，所述正极板与负极板的间距为2～ 10cm;所述正极板和负极板厚度为1～8mm，正极板和负极板的长度高度为所述装置的2/3～4/5。
为实现本发明的目的之二，本发明采用的技术方案如下：
一种利用三维电极生物膜与光电复氧协同处理污废水的反应装置处理污废水的方法，所述方法包括如下步骤：
S1，在所述反应装置前设置预处理设备，将有机污废水引入所述预处理设备，且在所述预处理设备中将水体的PH调节到5～9之间，过滤去大颗粒不溶性污染物，调节水温至常温;
S2，将经过S1步骤预处理后的污废水通过进水口导入所述三维电极生物膜与光电复氧协同处理污废水的反应装置，在所述反应装置内对水体中污染物进行降解催化氧化净化处理;
S3，将S2步骤净化处理后的水体由出水口通过排水设备进行收集;进一步过滤后排放。
由于以上技术方案的采用，本发明与现有技术相比有如下优势：
采用本发明的三维电极生物膜与光电复氧协同反应装置来处理废水，在太阳光照下，以电辅助光电极析氢析氧，氢气在水中形成富氢水，氧气一方面可起到曝气复氧作用，一方面可增加水体扰动，光催化电催化活性显著提升，强化光电化学处理效果。反应区内布满硅胶吸附颗粒填料，既增加了生物膜的接触面积，又便于吸附部分污染物，增强装置的处理能力。以微电电流传递强化生物过程的氧化还原作用，同时为微区生物活动提供曝气复氧条件，以多孔填料固定化微生物，实现曝气生物滤池和电化学氧化的协同效果。本反应装置简化了操作流程，使电耗降低，处理成本降低。
