申请日2017.10.12
公开(公告)日2017.12.15
IPC分类号C02F9/14; C02F101/36
摘要
本发明提供一种三维‑类电芬顿降解双氯芬酸的水处理系统及方法，所述系统包括反应器、供水装置、曝气装置、加药装置和电源，反应器包括三维‑类电芬顿反应区和生物滤料反应区，三维‑类电芬顿反应区内填充彩钢废渣基Co/Fe0粒子电极，生物滤料反应区填充生物滤料，污水先经过生物滤料上微生物的普通处理，COD、氨氮等在一定程度上降低，再经过三维‑类电芬顿反应区进行深度处理难生物降解的物质。加药装置向反应器中加入过硫酸盐，供水装置中的污水进入反应器后和过硫酸盐混合，在三维‑类电芬顿反应区中粒子电极负载的Fe0作用下，过硫酸盐被活化产生硫酸根自由基，电催化产生羟基自由基，通过硫酸根自由基和羟基自由基有效降解水中的污染物。
权利要求书
1.一种三维-类电芬顿降解双氯芬酸的水处理系统，其特征在于，包括反应器(4)、供水装置、曝气装置、加药装置和电源(5)，所述供水装置、所述曝气装置和所述加药装置分别连通所述反应器(4);
所述反应器(4)包括三维-类电芬顿反应区(12)和生物滤料反应区(18)，所述三维-类电芬顿反应区(12)的底部为主电极阳极(7)，顶部为主电极阴极(8)，所述电源(5)的正负极分别电连接所述主电极阳极(7)和所述主电极阴极(8)，所述主电极阳极(7)和所述电极阴极(8)之间填充彩钢废渣基Co/Fe0粒子电极(12)，所述主电极阳极(7)、所述彩钢废渣基Co/Fe0粒子电极(12)和所述主电极阴极(8)之间构成三维-类电芬顿反应区(12);
所述生物滤料反应区(18)位于所述反应区下方，所述生物滤料反应区(18)内填充生物滤料，所述生物滤料反应区(18)和所述三维-类电芬顿反应区之间固定有双层多孔承托板(15)，所述双层多孔承托板(15)位于所述主电极阳极(7)的下方，所述加药装置连通所述双层多孔承托板(15)两层之间的空隙。
2.根据权利要求1所述的一种三维-类电芬顿降解双氯芬酸的水处理系统，其特征在于，所述彩钢废渣基Co/Fe0粒子电极(12)由以下重量份数的组分组成：骨料40～50份，成孔剂8～12份，活化剂10～35份，粘合剂20～30份;其中，所述活化剂为Co、Fe0，所述骨料为彩钢废渣。
3.根据权利要求2所述的一种三维-类电芬顿降解双氯芬酸的水处理系统，其特征在于，所述彩钢废渣基Co/Fe0粒子电极(12)的制备方法为：
将彩钢废渣进行充分浸泡、清洗，烘干后冷却至室温，置于磨球机中研磨成粉，使用80目的筛网筛分，得到彩钢废渣骨料备用;将原料充分混合后滚动成球，然后置于25～35℃的恒温培养箱中培养8～15日，得到彩钢废渣基Co/Fe0粒子电极(12)。
4.根据权利要求3所述的一种三维-类电芬顿降解双氯芬酸的水处理系统，其特征在于，所述主电极阳极(7)为PANI/Ti主电极阳极，所述PANI/Ti主电极阳极为负载聚苯胺的多孔钛网;所述主电极阴极(8)为碳纤维。
5.根据权利要求4所述的一种三维-类电芬顿降解双氯芬酸的水处理系统，其特征在于，所述反应器(4)还包括曝气区，所述曝气区位于所述生物滤料反应区(18)的下方，所述曝气区与所述生物滤料反应区(18)之间固定有单层多孔承托板(17)，所述曝气装置连通所述曝气区，所述曝气区的底部开设有进水口，所述三维-类电芬顿反应区(12)的顶部开设有出水口(16)，所述供水装置通过所述进水口连通所述反应器。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种三维-类电芬顿降解双氯芬酸的水处理系统，其特征在于，所述供水装置包括依次连通的水箱(1)、蠕动泵(2)和进水管(3)，所述蠕动泵(2)通过所述进水管(3)连通所述进水口。
7.根据权利要求6所述的一种三维-类电芬顿降解双氯芬酸的水处理系统，其特征在于，所述曝气装置包括依次连通的空压机(9)、进气管(10)和溶气板(11)，所述溶气板(11)位于所述曝气区内。
8.根据权利要求6所述的一种三维-类电芬顿降解双氯芬酸的水处理系统，其特征在于，所述加药装置包括依次连通的加药箱(13)和加药管(14)，所述加药管(14)连通所述双层多孔承托板(15)的两层之间的空隙。
9.一种用于权利要求1所述的三维-类电芬顿降解双氯芬酸的水处理系统的水处理方法，其特征在于，所述方法包括：
制备彩钢废渣基Co/Fe0粒子电极(12)和主电极阳极(7);
将所述反应器(4)、供水装置、曝气装置、加药装置和电源(5)按照上述结构组装好;
主电极阳极(7)、主电极阴极(8)和彩钢废渣基Co/Fe0粒子电极(12)构成三维粒子电极体系，通过加药装置向所述反应器(4)中加入过硫酸盐，通过供水装置向反应器(4)中通入污水，使带有过硫酸盐的污水进入三维粒子电极反应体系构成三维-类电芬顿反应，强化产生硫酸根自由基，粒子电极基体中的过渡金属在电场的作用下催化产生羟基自由基，两者共同有效降解污水中的双氯芬酸。
说明书
一种三维-类电芬顿降解双氯芬酸的水处理系统及方法
技术领域
本发明涉及水处理技术领域，尤其涉及一种用于处理含双氯芬酸的污水的三维-类电芬顿降解双氯芬酸的水处理系统及方法。
背景技术
PPCP(pharmaceuticals and personal care products)即药品和个人护理用品，是一类包括处方类和非处方类医药品、防晒剂、清洁剂、杀菌剂和香料等化学用品在内的污染物的总称，双氯芬酸(DIC)是PPCPs类污染物中一类非甾体抗炎镇痛类药物，具有解热、镇痛等作用，以痕量浓度广泛存在，在地表水、地下水、土壤中均能检测到，具有高度水溶性、持久性、生物积累性(有的具有脂溶性)、长距离迁移的特性，污染饮用水，对生物体有生物毒性。生物法、膜处理技术和混凝技术等对DIC的去除效果不理想。
高级氧化法产生的强氧化活性物质对大分子有机物具有强氧化作用，有利于处理污水中的双氯芬酸，而三维电极是一种新型的高级氧化方法，其反应区域不再局限于电极的简单几何表面上，而是在整个床层的三维空间表面上进行，近年来有较多的研究。专利CN102070230A公开了一种三维电极电芬顿去除水中有机物的方法及装置，所述的装置包括反应室和气室，反应室内设置碳材料阴极、铁板阳极和固定床三维粒子电极，碳材料阴极和铁板阳极分别连接电源的两极，通电后，阳极氧化生成铁离子，阴极表面生成过氧化氢，铁离子和过氧化氢构成电芬顿试剂氧化去除废水中的有机物。阳极氧化生成铁离子后，阳极被消耗，一方面，使处理过程中需要不断更换阳极板，成本较高，更换时需要停工，影响上游生产，不能形成连续处理;另一方面，阳极消耗后生成的铁离子会随着污水一起流出，无法继续使用，需要不断消耗阳极产生铁离子，不利于循环利用，增加成本，且铁泥随污水流出后沉淀在污水中形成会形成二次污染，增加处理成本。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种三维-类电芬顿降解双氯芬酸的水处理系统及方法，有效处理污水中的双氯芬酸。
本发明是通过如下技术方案实现的，提供一种三维-类电芬顿降解双氯芬酸的水处理系统，包括反应器、供水装置、曝气装置、加药装置和电源，所述供水装置、所述曝气装置、所述加药装置和所述电源装置分别连接所述反应器;
所述反应器包括三维-类电芬顿反应，所述三维-类电芬顿反应的底部为主电极阳极，顶部为主电极阴极，所述电源的正负极分别电连接所述主电极阳极和所述主电极阴极，所述主电极阳极和所述主电极阴极之间填充彩钢废渣基Co/Fe0粒子电极，所述主电极阳极、所述彩钢废渣基Co/Fe0粒子电极和所述主电极阴极之间构成三维-类电芬顿反应区。
所述生物滤料反应区位于所述三维-类电芬顿反应区下方，所述生物滤料反应区内填充生物滤料，所述生物滤料反应区和所述三维-类电芬顿反应区之间固定有双层多孔承托板，所述双层多孔承托板位于所述主电极阳极的下方，所述加药装置连通所述双层多孔承托板两层之间的空隙。
本发明提供的水处理系统，可以通过加药装置向反应器中加入一定浓度的过硫酸盐，当供水装置中的污水进入反应器后，在生物滤料反应区经微生物降解，经过双层多孔承托板与过硫酸盐和污水混合，污水和过硫酸盐共同到达三维-类电芬顿反应区，三维-类电芬顿反应区中的彩钢废渣基/Fe0粒子电极在电场的作用下被复极化而两端分别带正负电荷，形成一个个微小的电场，增大了反应器内的有效反应面积，彩钢废渣基/Fe0粒子电极所负载的Fe0能有效活化过硫酸盐，生成硫酸根自由基，即：
Fe0+2Fe3+→3Fe2+;
以Fe0作为活化剂时，活化过硫酸盐产生的Fe2+可再次活化过硫酸盐，使活化效率大大提高，且所生成的Fe3+在阴极被还原成Fe2+，继续活化过硫酸盐，保证彩钢废渣基/Fe0粒子电极持久高效催化双氯芬酸。另外，在电场作用下，Fe3+得电子生成Fe2+继续活化过硫酸盐，即：
Fe3++e-→Fe2+;
其中，反应生成的Fe3+还能在阴极还原成Fe2+，实现了Fe2+的重复利用。另外，电场强化活化过硫酸盐：粒子电极基体中的过渡金属经电场催化产生羟基自由基，在反应区同时存在羟基自由基和硫酸根自由基，双氯芬酸在两种自由基的共同作用下高效降解。
本发明将Fe0负载于粒子电极上，不需要消耗阳极产生Fe2+，减少了阳极消耗的成本，并且不需要停工更换阳极，不影响上游工艺运行，减少了停工更换阳极产生的成本，负载于粒子电极上的Fe0与粒子电极形成一个统一的整体，不会随污水流出，持续发挥作用的同时不会对污水造成进一步污染。且本发明设置生物滤料反应区，污水自下方的进水口进入后首先经过生物滤料反应区，与生物滤料反应区内填充的生物滤料接触，在生物滤料上微生物的作用下，污水中小分子有机物得以降解，增强污水处理效果。
作为优选，所述彩钢废渣基Co/Fe0粒子电极由以下重量份数的组分组成：骨料40～50份，成孔剂8～12份，活化剂10～35份，粘合剂20～30份;其中，所述活化剂为Co、Fe0，所述骨料为彩钢废渣。
彩钢废渣基Co/Fe0粒子电极以Fe0为活化剂，能更好的激发活化过硫酸盐。彩钢废渣是彩钢行业产生的含有多元合金的工业废料，在生产中，铁、锌和铝等金属生成了一些固溶化合物，熔点较高。对于这些彩钢废渣，目前没有有效的处理方法。但彩钢废渣中含有Zn、Fe、Al等多种金属，这些成分不仅具有絮凝作用，而且在电催化反应中是良好的催化剂，能有效催化产生羟基自由基，Fe0、Co在电场的作用下能更好的活化过硫酸盐，产生硫酸根自由基，既提高了粒子电极的性能，又实现了变废为宝，减少了环境的污染和土地的占用。
作为优选，所述彩钢废渣基Co/Fe0粒子电极的制备方法为：
将彩钢废渣进行充分浸泡、清洗，烘干后冷却至室温，置于磨球机中研磨成粉，使用80目的筛网筛分，得到彩钢废渣骨料备用;将原料充分混合后滚动成球，然后置于25～35℃的恒温培养箱中培养8～15日，得到彩钢废渣基Co/Fe0粒子电极。
作为优选，所述主电极阳极为PANI/Ti主电极阳极，所述PANI/Ti主电极阳极为负载聚苯胺的多孔钛网;所述主电极阴极为碳纤维。聚苯胺作为一种导电聚合物，负载于多孔钛网表面，能有效提高主电极阳极的抗腐蚀性。
所述PANI/Ti主电极阳极的制备方法按照如下步骤进行：
S01：将用砂纸打磨后的多孔钛网分别用NaOH溶液在95℃下碱洗1h、用HCl溶液在90℃酸洗1h、用去离子水冲洗，然后在鼓风干燥箱中105℃烘干备用。
钛网的表面存在一些氧化物等的杂质，使用砂纸打磨、碱性溶液和酸性溶液分别冲洗，可以有效去除钛材料表面的杂质，使其更好的发挥作用。除了NaOH溶液和HCl溶液外，还可以采用其他的碱性溶液或者酸性溶液来冲洗，但以不使钛网表面钝化，不产生其他杂质，不影响钛网性能为宗旨，例如，不可使用硫酸、硝酸类的酸性溶液来酸洗。
S02：将十二烷基磺酸钠、正丁醇以及丙烯酸丁酯与乙醇的混合液加入到去离子水中并磁力搅拌得到微乳液状，将微乳液体的pH值用盐酸调节到1，然后向微乳液中滴加苯胺单体得到均一溶液;其中，丙烯酸丁酯与乙醇的混合液中，丙烯酸丁酯与乙醇的质量比为1:1。
S03：在氮气、冰水浴反应条件下，向所述均一溶液中缓慢滴加过硫酸铵溶液，滴加过程持续40min;保持冰水浴、搅拌、氮气保护的条件下，持续反应24h得到聚苯胺悬浮液。
S04：将所述聚苯胺悬浮液均匀涂覆在所述步骤S01中得到的多孔钛网表面，105℃烘干2h，如此反复8～12次;最后一次置于马弗炉中300℃焙烧，得到PANI/Ti阳极。
作为优选，所述反应器还包括曝气区，所述曝气区位于所述生物滤料反应区的下方，所述曝气区与所述生物滤料反应区之间固定有单层多孔承托板，所述曝气装置连通所述曝气区，所述曝气区的底部开设有进水口，所述反应区的顶部开设有出水口，所述供水装置通过所述进水口连通所述反应器。进水口位于反应器下部，出水口位于反应器上部，污水自下而上的流经反应区的粒子电极，避免粒子电极被水压实结块，以保证其使用效果。
作为优选，所述供水装置包括依次连通的水箱、蠕动泵和进水管，所述蠕动泵通过所述进水管连通所述进水口。所述水箱通过蠕动泵和进水管连通反应器，水箱内的污水可以连续的进入反应器进行处理，水箱内的污水还可以进行补充，实现污水的连续处理，使用方便。
作为优选，所述曝气装置包括依次连通的空压机、进气管和溶气板，所述溶气板位于所述曝气区内，使整个反应器曝气均匀。
作为优选，所述加药装置包括依次连通的加药箱和加药管，所述加药管连通所述双层多孔承托板的两层之间的空隙。
加药装置将过硫酸盐加入至双层多孔承托板的两层板之间的空隙内，污水经过生物滤料反应区后向上到达三维-类电芬顿反应区，携带过硫酸盐通过双层多孔承托板的上层板的通孔进入三维-类电芬顿反应区进行反应，过硫酸盐通过加药装置加入可以避免过硫酸盐的损失，保证过硫酸盐的初始浓度且避免了对微生物的刺激。
本发明还提供一种三维电芬顿降解双氯芬酸的水处理方法，所述方法为：
按照上述方法制备彩钢废渣基Co/Fe0粒子电极和主电极阳极;
将所述反应器、供水装置、曝气装置、加药装置和电源按照上述结构组装好;
主电极阳极、主电极阴极和彩钢废渣基Co/Fe0粒子电极构成三维粒子电极体系，通过加药装置向所述反应器中加入过硫酸盐，通过供水装置向反应器中通入污水，使带有过硫酸盐的污水进入三维粒子电极反应体系构成三维-类电芬顿反应，强化产生硫酸根自由基，粒子电极基体中的过渡金属在电场的作用下催化产生羟基自由基，两者共同有效降解污水中的双氯芬酸。
本发明实施例提供的技术方案可以包含以下有益效果：
本发明提供的水处理系统，可通过加药装置向反应器中加入一定浓度的过硫酸盐，供水装置中的污水进入反应器后，首先经过生物滤料反应区，经微生物处理后，污水中小分子有机物得以降解，增强污水处理效果;然后穿过生物滤料反应区与三维-类电芬顿反应区之间的双层多孔承托板，携带过硫酸盐进入三维-类电芬顿反应区，在三维-类电芬顿反应区中粒子电极负载的Fe0作用下，过硫酸盐被活化产生硫酸根自由基，粒子电极基体中的过渡金属电催化产生羟基自由基，通过硫酸根自由基和羟基自由基有效降解水中的污染物。本发明的粒子电极上负载有Fe0，不需要消耗阳极产生Fe2+，减少了阳极消耗的成本，减少了停工更换阳极产生的成本，负载于粒子电极上的Fe0与粒子电极形成一个统一的整体，不会随污水流出，持续发挥作用的同时不会对污水造成进一步污染。且本发明的进水口在下，出水口在上，污水自下而上的流经三维-类电芬顿反应区的粒子电极，避免粒子电极被水压实结块，保证其使用效果。
