申请日2017.05.22
公开(公告)日2017.08.04
IPC分类号C02F3/00; C02F3/30; C02F1/32; C02F101/30; C02F101/38
摘要
本发明涉及废水处理技术领域,具体公开了生物电催化与光催化接触氧化耦合的废水处理系统，包括：依次连接的第一管体、第二管体和第三管体，其中，第一管体管壁上设有进液孔，第三管体上设有出液口，第一管体内设有生物阴极，该生物阴极与外电路相连，第二管体内设有生物阳极，其与外电路相连，生物阳极和生物阴极的表面附着有微生物;第三管体内设有混合填料和紫外灯，所述混合填料的中央为空腔，所述紫外灯设于所述空腔内。废水处理系统通过对混合填料内部生物膜的结构与空间运用的合理安排，梯度利用溶解氧，避免了以往通过微氧技术，溶解氧难以精确控制的问题，且提高了接触氧化部分生物膜对偶氮染料、中间产物以及废水中残留COD的去除。
权利要求书
1.一种生物电催化与光催化接触氧化耦合的废水处理系统，其包括：依次连接的第一管体、第二管体和第三管体，其中，所述第一管体管壁上设有进液孔，所述第三管体上设有出液口;其特征在于，
所述第一管体内设有生物阴极，该生物阴极与外电路相连;
所述第二管体内设有生物阳极，所述生物阳极与外电路相连，所述生物阳极和生物阴极的表面附着有微生物;
所述第三管体内设有混合填料和紫外灯，所述混合填料由外层的筒型填料和内层的板型填料组成，所述混合填料的中央为空腔，所述筒型填料上附有好氧生物膜和厌氧生物膜，所述板型填料的外表镀有光催化材料，所述紫外灯设于所述空腔内。
2.如权利要求1所述的废水处理系统，其特征在于，所述板型填料为聚氨酯材料;所述筒型填料的内侧附有好氧生物膜、外侧附有厌氧生物膜;
所述第三管体内还设有曝气头，所述曝气头靠近所述筒型填料的内部设置。
3.如权利要求1所述的废水处理系统，其特征在于，所述生物阴极和生物阳极为环形碳刷电极，所述生物阴极设有两组、三组或三组以上;
所述微生物为厌氧微生物，所述厌氧微生物为混菌或单一胞外产电菌，或
所述微生物为奥奈达希瓦氏菌;
所述光催化材料为TiO2光催化剂。
4.如权利要求1所述的废水处理系统，其特征在于，所述第一管体设有第一参比电极。
5.如权利要求1所述的废水处理系统，其特征在于，所述第一管体、第二管体和第三管体自下而上依次连接，所述第一管体的下端设有下端盖，所述第三管体的上端设有上端盖;所述第一管体与第二管体之间设有第一布水板，所述第一布水板上设有多个小孔;所述第二管体与第三管体之间设有第二布水板，所述第二布水板设有一个进水孔。
6.如权利要求1所述的废水处理系统，其特征在于，在所述第三管体与上端盖之间还设有第四管体，所述第四管体上设有所述废水流出孔;所述第四管体上设有第二参比电极。
7.如权利要求1-6中任一项所述的废水处理系统，其特征在于，所述第一管体上设有第一取样孔，和/或所述第二管体上设有第二取样孔。
8.一种生物电催化与光催化接触氧化耦合的废水处理方法，其特征在于，其包括如下步骤：
1)废水与生物阴极接触，废水在生物阴极上的微生物和电化学催化还原共同作用下，偶氮染料中发色基团偶氮双键断裂，分解为有毒的小分子芳香烃类物质;
2)含有小分子芳香烃类物质的废水与生物阳极接触，生物阳极上附有微生物，降解小分子有机物的同时将更多电子传递给电极，再通过外电路，将额外电子提供给所述生物阴极，实现COD去除并促进所述生物阴极反应，加快了偶氮键的断裂，进一步脱色;
3)步骤2)处理后的废水与混合填料接触，所述混合填料由挂有光催化材料的内层填料和挂有混合生物膜的外层填料组成，混合生物膜包括有好氧生物膜和厌氧生物膜，所述光催化材料在紫外灯照射下促进剩余偶氮染料脱色，所述好氧生物膜对小分子芳香烃类物质中苯环开链，所述厌氧生物膜进一步使残留的偶氮键未断裂的偶氮染料进一步降解，在所述混合生物膜和光催化材料的共同作用下将残留偶氮染料进一步降解并将降解后产物完全矿化。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤3)中，靠近所述好氧微生物膜设有曝气头，为所述好氧微生物提供氧源，使靠近的好氧生物膜将废水中的高浓度COD有效去除。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述厌氧微生物为混菌或单一胞外产电菌。
说明书
生物电催化与光催化接触氧化耦合的废水处理系统及方法
技术领域
本发明涉及废水处理技术领域，特别是涉及一种生物电催化与光催化接触氧化耦合的废水处理系统及方法。
背景技术
我国印染行业发达，每年产生大量的印染废水，偶氮染料作为其中的典型污染物之一，由于色度极高，影响环境美观并影响水中生物的光合作用，导致水体生态环境被破坏。
目前生物处理作为废水处理厂的主体技术可以用于矿化偶氮染料，其工艺过程主要为脱色阶段的厌氧生物反应器和二次处理的好氧生物反应器串联。厌氧与好氧的串联工艺可达到较好的脱色效果，但存在一些缺陷，主要体现在占地面积大与脱色速率低，再加之前期投入与后期管理维护成本高，处理效果不够稳定，难以达标等。
如今已经出现了将厌氧工艺与好氧工艺合二为一的一体式反应器，如公开号为CN205838677U的专利，提出了一种一体式废水处理装置，其通过精确控制曝气量，创造微氧条件，可以有效处理低化学需氧量(COD)浓度偶氮染料废水，该系统优点在于可在降解偶氮染料的同时，将降解后的中间产物作为碳源，提供阳极微生物生长，免去了人工添加额外的营养物质且实现在低COD浓度下深度矿化偶氮染料。但该系统存在处理速度较慢，精确曝气难以控制，偶氮分解中间有毒产物易有残留的问题，且由于在微氧环境下接触氧化好氧生物膜氧气供给不充足，对于高浓度COD偶氮染料废水的COD去除有限。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种生物电催化与光催化接触氧化耦合废水处理系统，该系统脱色速率快，对有毒脱色中间产物矿化更完全，可以有效降解染料废水中的高浓度COD，无需进行二次处理。本发明还提供了一种生物电催化与光催化接触氧化耦合废水处理方法。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
一种生物电催化与光催化接触氧化耦合的废水处理系统，包括：依次连接的第一管体、第二管体和第三管体，其中，所述第一管体管壁上设有进液孔，所述第三管体上设有出液口，
所述第一管体内设有生物阴极，该生物阴极与外电路相连，
所述第二管体内设有生物阳极，所述生物阳极与外电路相连，所述生物阳极和生物阴极的表面附着有微生物;
所述第三管体内设有混合填料和紫外灯，所述混合填料由外层的筒型填料和内层的板型填料组成，所述混合填料的中央为空腔，所述筒型填料上附有好氧生物膜和厌氧生物膜，所述板型填料的外表镀有光催化材料，所述紫外灯设于所述空腔内。
如上所述的废水处理系统，优选地，所述板型填料为聚氨酯材料;所述筒型填料的内侧附有好氧生物膜、外侧附有厌氧生物膜;
所述第三管体内还设有曝气头，所述曝气头靠近所述筒型填料的内部设置。
如上所述的废水处理系统，优选地，所述生物阴极和生物阳极为环形碳刷电极，所述生物阴极设有两组、三组或三组以上;
所述微生物为厌氧微生物，所述厌氧微生物为混菌或单一胞外产电菌，或所述微生物为奥奈达希瓦氏菌;
所述光催化材料为TiO2光催化剂。
如上所述的废水处理系统，优选地，所述第一管体设有第一参比电极。
如上所述的废水处理系统，优选地，所述第一管体、第二管体和第三管体自下而上依次连接，所述第一管体的下端设有下端盖，所述第三管体的上端设有上端盖;所述第一管体与第二管体之间设有第一布水板，所述第一布水板上设有多个小孔;所述第二管体与第三管体之间设有第二布水板，所述第二布水板设有一个进水孔。
如上所述的废水处理系统，优选地，在所述第三管体与上端盖之间还设有第四管体，所述第四管体上设有所述废水流出孔，所述第三管体上的通孔作为取样孔;优选地，所述第四管体上设有第二参比电极。
如上所述的废水处理系统，优选地，所述第一管体上设有第一取样孔，和/或所述第二管体上设有第二取样孔。
一种生物电催化与光催化接触氧化耦合的废水处理方法，包括如下步骤：
1)废水与生物阴极接触，废水在生物阴极上的微生物和电化学催化还原共同作用下，偶氮染料中发色基团偶氮双键断裂，分解为有毒的小分子芳香烃类物质;
2)含有小分子芳香烃类物质的废水与生物阳极接触，生物阳极上附有微生物，降解小分子有机物的同时将更多电子传递给电极，再通过外电路，将额外电子提供给所述生物阴极，实现COD去除并促进所述生物阴极反应，加快了偶氮键的断裂，进一步脱色;
3)步骤2)处理后的废水与混合填料接触，所述混合填料由挂有光催化材料的内层填料和挂有混合生物膜的外层填料组成，混合生物膜包括有好氧生物膜和厌氧生物膜，所述光催化材料在紫外灯照射下促进剩余偶氮染料脱色，所述好氧生物膜对小分子芳香烃类物质中苯环开链，所述厌氧生物膜进一步使残留的偶氮键未断裂的偶氮染料进一步降解，在所述混合生物膜和光催化材料的共同作用下将残留偶氮染料进一步降解并将降解后产物完全矿化。
如上所述的方法，优选地，所述步骤3)中，靠近所述好氧微生物膜设有曝气头，为所述好氧微生物提供氧源，使靠近的好氧生物膜将废水中的高浓度COD有效去除。
如上所述的方法，优选地，所述厌氧微生物为混菌或单一胞外产电菌。更进一步，所述单一胞外产电菌为Shewanella oneidensis MR-1。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：本发明的废水处理方法将强化生物膜生物电催化技术与接触氧化技术与光催化技术三种技术结合到一起，发挥各技术的优点，通过生物阴极电催化共同作用使偶氮染料发色基团偶氮键断裂降，降解为厌氧条件下难降解的芳香烃类有毒中间产物，通过生物阳极，有效提高阳极生物膜胞外产电性能，在去除COD的同时加快生物阴极的脱色速率，使用光催化技术对偶氮染料的高效脱色过程进行强化。废水处理系统通过对混合填料内部生物膜的结构与空间运用的合理安排，梯度利用溶解氧，避免了以往通过微氧技术，溶解氧难以精确控制的问题，且提高了接触氧化部分生物膜对偶氮染料、中间产物以及废水中残留COD的去除。
本发明的废水处理系统为一体化设备，极大地降低了处理装置的占地面积，提高了染料废水的处理速度与处理效果，有效降解高COD浓度的染料废水，无二次污染，有助于降低前期的设备投入和运行成本。
