申请日2012.04.05
公开(公告)日2013.10.23
IPC分类号C02F103/30; C02F3/00
摘要
本发明提供一种应用铁矿石催化生物电芬顿处理染料废水的方法，属于水处理工艺领域，具体是利用天然铁矿石精粉作为反应催化物，利用生物电化学系统在阴极产生过氧化氢和还原铁离子为亚铁离子，实现芬顿反应，氧化处理染料废水。本发明实现的生物电化学系统阴极电芬顿不需要添加过氧化氢，铁矿石精粉作为一种天然原料廉价易得。该方法能够对染料废水产生很好的处理效果，同时实现在阳极室内对高浓度可降解有机废水和阴极室内对生物难降解废水的处理。
权利要求书
1.一种应用铁矿石催化生物电芬顿处理染料废水的方法，其特征在于，所述的生物电化学系统产生的电能辅助阴极过氧化氢的产生，促进阴极Fe3+向Fe2+的转化;以天然铁矿石精粉作为阴极电芬顿反应的催化物。
2.如权利要求1所述的应用铁矿石催化生物电芬顿处理染料废水的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)所述生物电化学系统阳极中的微生物氧化利用污水中的可生化降解有机物，产生电能;
(2)向所述生物电化学系统阴极曝气供氧，实现H2O2的产生;
(3)向所述生物电化学系统阴极体系直接投加天然铁矿石精粉，并在生物电化学系统的作用下实现Fe3+向Fe2+的转化;
(4)H2O2和Fe2+发生芬顿反应，氧化染料废水，实现其脱色、矿化。
3.如权利要求1所述的应用铁矿石催化生物电芬顿处理染料废水的方法，其特征在于，所述的生物电化学系统包括阳极和阴极，所述的阳极和阴极均采用碳毡制成，所述碳毡未经修饰改性，仅用1M 硫酸煮沸一小时，除去表面杂质，碳毡具有导电良好、比表面积大、利于微生物附着、利于过氧化氢产生、具有一定的化学惰性等特点。
4.如权利要求1所述的应用铁矿石催化生物电芬顿处理染料废水的方法，其特征在于，所述阴极电芬顿体系的建立采用直接投加天然铁矿石精粉到阴极液中的方式。
5.如权利要求1所述的应用铁矿石催化生物电芬顿处理染料废水的方法，其特征在于，所述的向阴极电芬顿体系投加的催化物为天然铁矿石精粉，它包括褐铁矿精粉、磁铁矿精粉、赤铁矿精粉等多种钢铁冶炼原料，较为廉价易得。
6.如权利要求1所述的应用铁矿石催化生物电芬顿处理染料废水的方法，其特征在于，所述的向生物电化学系统阴极投加的天然铁矿石精粉的量为每一升污水0.1-10g铁元素，最优剂量为每一升污水1g铁元素。
7.如权利要求1所述的应用铁矿石催化生物电芬顿处理染料废水的方法，其特征在于，用所述的生物电化学系统和阴极电芬顿体系实现阴极液中Fe3+与Fe2+的循环，无需直接投加二价铁离子。
8.如权利要求1所述的应用铁矿石催化生物电芬顿处理染料废水的方法，其特征在于，所述的生物电化学系统的阴极液通过加酸维持在pH 1-5内，在此范围内pH越低对染料废水的处理效果越好。
说明书
一种应用铁矿石催化生物电芬顿处理染料废水的方法
技术领域
本发明涉及水处理工艺领域，具体涉及生物电化学系统应用和类芬顿体系改进。
背景技术
1894年，法国科学家H.J.H.Fenton发现在酸性条件下，过氧化氢可以在Fe2+离子催化作用下能强烈有效的将酒石酸氧化，这一反应后来被称为芬顿(Fenton)反应。1964年加拿大学者H.R.Eisenhaner首次使用Fenton试剂处理苯酚和烷基苯废水获得成功后，Fenton法开始应用在去除水中难降解有机污染物方面，因其具有操作过程简单、反应速度快、对环境友好等优点而一直受到人们的青睐。
一般认为，Fenton反应能够产生很强的氧化能力是因为H2O2被Fe2+催化分解生成羟基自由基(·OH)，并引发一系列连锁反应产生更多的其它自由基。Fenton反应的这种强氧化性，具有无选择性的特点，即能够氧化比羟基自由基氧化性差的其它各种物质而不是只针对一类或几类物质。染料废水具有色度高、COD高、盐度高、毒性高、可生化性差等特点，直接排放会对环境造成严重污染。因为普通生物处理方法效果较差，因此染料生产废水的治理一直是工业废水处理中的难点和热点。而Fenton法对氧化过程无选择性的特点使其在处理染料废水上较其它方法具有明显的优势。
普通Fenton法在暗条件下就能破坏有机物，但存在两个主要缺点：一是对有机物矿化不充分，初始有机物部分转化为某些中间产物，这些中间产物与Fe3+形成络合物，或与·OH的生成发生竞争，可能对环境的危害更大;二是直接投加H2O2和Fe2+成本较高，而且H2O2的利用率不高，造成浪费。将紫外光、电化学、超声波和微波等引入Fenton试剂体系，降低了铁和双氧水的用量，提高了Fenton试剂的利用率和有机物的降解率，形成了一系列类Fenton法，如光-Fenton法、电-Fenton法、超声-Fenton法等。近年来，类Fenton法在废水处理领域得到了广泛的研究和应用。这些方法虽然强化了Fenton反应氧化分解的能力与作用，但都存在需要投入较多能量的缺点。因此，降低能耗成为类Fenton试剂法应用于废水处理所面临的主要问题。目前，研究构建低能耗、高效率的类Fenton体系，成为国内外利用类Fenton试剂法处理难降解有机废水的重要研究内容和发展方向。
生物电化学系统(Bio-Electrochemical Systems，BESs)是一种利用微生物作为催化剂，将有机物中储存的化学能直接转化为电能的装置，包括微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells，MFCs)和微生物电解池(Microbial electrolysis cells，MECs)。在阳极厌氧环境中，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子通过适宜的电子传递介体或纳米导线等被传递到阳极上，并通过外电路传递到阴极形成电流，而质子通过质子交换膜也传递到阴极，适宜的氧化剂在阴极得到电子被还原，从而形成一个完整的回路。BESs具有反应条件温和，处理污水的同时产生电能等优点，相关研究近年来引起了广泛关注，利用BESs阴极还原作用治理污染已成为目前环境工程领域的研究热点之一。
本发明将Fenton反应与BESs相结合，利用BESs产生的电能辅助建立Fenton反应，采用铁矿石催化反应处理难生物降解的染料废水。
发明内容
本发明的目的在于建立一种简单、廉价、高效的生物电化学阴极电芬顿方法，实现对生物难降解物质，特别是对染料废水的降解。
本发明涉及一种生物电化学系统，其包括生物反应器，所述生物反应器包括阳极室和阴极室，两极室通过能够透过离子的分隔物分隔。所述两极室内分别设阳极和阴极，并连接有导线引出反应器外，通过负载连接成通路。阳极与阴极均采用碳毡制作，不需要任何修饰改性，仅用1M硫酸煮沸一小时去除表面杂质;碳毡具有导电良好、比表面积大、利于微生物附着、利于过氧化氢产生、具有一定的化学惰性等特点。所述阴极室设有能向其中鼓气的曝气装置，使阴极液的溶解氧维持在饱和状态。
向所述阳极室内接种入具有产电活性的微生物，引入具有可生化性有机物的污水，保证厌氧环境，定时更换污水，使产电微生物生长并稳定产生电能。
向所述阴极室内引入染料废水，并通过加酸维持阴极溶液稳定在pH 1-5的酸性条件下。
通过所述活性微生物对阳极室内的污水进行处理，产生质子和电子。
所述电子经由阳极、外负载传递到阴极上。
所述质子经过离子交换膜到达阴极室阴极表面。
所述曝气装置向阴极室内鼓入空气，空气中的氧气在阴极表面与电子和质子反应生成过氧化氢。
向所述阴极室内投加天然铁矿石精粉，投加量为每升污水0.1-10g铁元素，最优剂量为每一升污水1g铁元素。其产生的Fe3+可以在阴极表面得到电子产生Fe2+，并最终形成Fe3+与Fe2+的循环。
所述阴极液中的染料污染物被H2O2和Fe2+发生的芬顿反应氧化，实现脱色、矿化，从而消除污染。
本发明具有如下优势：
(1)将生物电化学系统与电芬顿相结合，前者为后者的反应提供电能，产生H2O2、实现Fe3+与Fe2+的循环，无需投加H2O2，减少了Fe2+的用量。
(2)阳极与阴极采用碳毡直接制作，不需要进行任何修饰改性，制作简单、经济高效。
(3)阴极电芬顿体系加入的催化物天然铁矿石精粉是常见的钢铁冶炼原料，廉价易得、催化芬顿反应效果好、较少产生剩余污泥。
(4)本方法可以实现对高浓度可降解有机废水、难生物降解的染料废水的同时处理，并且能够产生电能。
(5)整个系统构造简单、经济高效，适合应用于实际废水处理。