CN117361810B - 一种基于微生物电解池的无药剂Fenton处理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于废水处理领域，尤其涉及一种基于微生物电解池的无药剂Fenton处理系统。所述无药剂Fenton处理系统包括三室微生物电解池单元、Fenton氧化单元、中和单元、沉淀单元，三室微生物电解池单元的出口与Fenton氧化单元的入口连接，Fenton氧化单元的出口与中和单元的入口连接，中和单元的出口与沉淀单元的入口连接，沉淀单元的出口与生物阴极室的入口连接。该系统可原位产生H2O2并从Fenton铁泥中再生Fe2+，作为Fenton氧化单元中试剂的持续来源，实现了无需外部添加Fenton试剂的效果，又可以通过Fenton氧化单元对废水实现高效降解，电能消耗远低于电Fenton技术。
Description
技术领域
本发明属于废水处理领域，尤其涉及一种基于微生物电解池的无药剂Fenton处理系统。
背景技术
随着工业化的不断发展，有机废水的数量和种类迅速增加，废水中污染物的成分也越来越复杂。目前，普遍用于处理有机废水的生物法虽然成本低廉，但面对一些难生物降解的有机污染物时效果不佳。而Fenton法作为一种高级氧化技术，产生的羟基自由基(·OH)具有很强的氧化性，能够氧化大多数有机物达到降解的目的。但传统的均相Fenton技术在处理废水时，需要投加大量的Fenton试剂(即：H2O2和Fe2+)，而H2O2在制备、运输和存储中存在较大风险，同时Fe3+会产生铁淤泥，增加了后续处理费用，这些缺点限制了其在实际应用中发展。
电Fenton技术的产生从某种程度上克服了上述问题，但仍需要投加一定量H2O2和Fe2+，不仅需要消耗大量的电能，还存在铁泥和出水色度等二次污染问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于微生物电解池的无药剂Fenton处理系统，以克服现有技术中的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
根据本发明实施例的第一方面，提供了一种基于微生物电解池的无药剂Fenton处理系统，包括三室微生物电解池单元、Fenton氧化单元、中和单元、沉淀单元、第一电源和第二电源，
所述三室微生物电解池单元包括生物阳极室、生物阴极室和非生物阴极室，所述生物阳极室内载有待处理的有机废水，所述生物阳极室内设有两个生物阳极，所述生物阴极室和所述非生物阴极室内分别设有生物阴极和非生物阴极，其中一个所述生物阳极和所述生物阴极连接在所述第一电源的两端，另一个所述生物阳极和所述非生物阴极连接在所述第二电源的两端，
所述三室微生物电解池单元的出口与所述Fenton氧化单元的入口连接，所述Fenton氧化单元的出口与所述中和单元的入口连接，所述中和单元的出口与所述沉淀单元的入口连接，所述沉淀单元的出口与所述生物阴极室的入口连接。
进一步的，所述生物阴极室与所述生物阳极室通过阳离子交换膜或质子交换膜分隔，所述非生物阴极室与所述生物阳极室通过阳离子交换膜或质子交换膜分隔。
进一步的，所述生物阳极、生物阴极和非生物阴极的材料为碳基材料，且所述生物阳极和所述生物阴极上接种有微生物；具体的，所述的生物阳极包括碳纤维刷或碳毡，所述的生物阴极包括碳毡，所述的非生物阴极包括石墨板、碳毡或碳纳米管。
进一步的，所述非生物阴极室的阴极液包括含盐导电溶液。
进一步的，所述无药剂Fenton处理系统包括污泥斗，所述沉淀单元的出口与所述污泥斗的入口连接，所述污泥斗的出口与所述生物阴极室的入口连接。
进一步的，所述生物阳极与所述生物阴极之间的电压均为0.2-0.8V、所述生物阳极与所述非生物阴极之间的电压为0.2-0.8V。
进一步的，所述无药剂Fenton处理系统还包括搅拌装置和曝气装置，所述搅拌装置设置在所述Fenton氧化单元和/或中和单元上，所述曝气装置包括曝气管、进气管和氧气瓶，所述进气管的一端与所述曝气管连接，所述进气管的另一端与所述氧气瓶连接，所述曝气管设置在所述非生物阴极室内。
进一步的，所述进气管上设有供气量调节阀和流量计。
进一步的，所述无药剂Fenton处理系统还包括多个蠕动泵，所述三室微生物电解池单元、Fenton氧化单元、中和单元和沉淀单元之间均通过蠕动泵连接。
进一步的，所述无药剂Fenton处理系统还包括pH调节装置，所述pH调节装置包括计量加药泵，所述计量加药泵与所述Fenton氧化单元连接。
与现有技术相比，本发明的优点包括：
本发明提供一种基于微生物电解池的无药剂Fenton处理系统，所述无药剂Fenton处理系统不需要外源添加Fenton试剂，可原位产生H2O2并从Fenton铁泥中再生Fe2+，作为Fenton氧化单元中试剂的持续来源，实现了无需外部添加Fenton试剂的效果，又可以通过Fenton氧化单元对废水实现高效降解，同时所述无药剂Fenton处理系统电能消耗远低于电Fenton技术，节约用电成本，可以实现废水处理的可持续进行，为电Fenton技术的进一步发展起到了重要作用。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明一典型实施例中基于微生物电解池的无药剂Fenton处理系统的流程图；
图2为本发明一典型实施例中基于微生物电解池的无药剂Fenton处理系统的结构图；
图中标记：1、三室微生物电解池单元；2、Fenton氧化单元；3、中和单元；4、沉淀单元；5、生物阳极；6、生物阴极；7、非生物阴极；8、质子交换膜；9、微生物；10、铁还原菌；11、电源；12、曝气装置；13、计量加药泵；14、搅拌装置；15、蠕动泵；16、污泥斗。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，给出的实施例仅为了阐明本发明，而不是为了限制本发明的范围。以下提供的实施例可作为本技术领域普通技术人员进行进一步改进的指南，并不以任何方式构成对本发明的限制。
下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
本发明实施例的一个方面提供了一种基于微生物电解池的无药剂Fenton处理系统依次包括三室微生物电解池单元1、Fenton氧化单元2、中和单元3和沉淀单元4。
所述三室微生物电解池单元用于对废水中污染物的降解，同时产生一定量质子（H+）和电子（e-），H+通过质子交换膜8分别进入生物阴极室和非生物阴极室，e-通过外电路传递到生物阴极6和非生物阴极7处，且在生物阴极6处产生Fe2+，在非生物阴极7处产生H2O2。
所述的三室微生物电解池单元包括生物阳极室、生物阴极室和非生物阴极室，生物阳极室设置两个生物阳极5，生物阴极室与生物阳极室之间、以及非生物阴极室与生物阳极室之间均用阳离子交换膜或质子交换膜8隔开，其中一个生物阳极5与生物阴极6、另一个生物阳极5与非生物阴极7之间分别通过导线与电源11连接；在一些实施例中，所述电源11包括第一电源和第二电源，其中一个所述生物阳极5和所述生物阴极6连接在所述第一电源的两端，另一个所述生物阳极5和所述非生物阴极7连接在所述第二电源的两端；
所述的生物阳极5为碳纤维刷或碳毡，将生物阳极5材料在厌氧条件下于二沉池出水污泥进行预培养直到生物阳极5电位稳定。所述的生物阳极室为厌氧环境。所述生物阳极室中的阳极液为待处理的有机废水。
所述的生物阴极6为碳毡，将生物阴极6材料接种于厌氧颗粒污泥和新鲜Fenton铁泥的混合溶液，厌氧颗粒污泥和新鲜Fenton铁泥的混合溶液中富集铁还原菌10。
所述非生物阴极7为石墨板、碳毡、碳纳米管中的一种。所述非生物阴极室的阴极液包括含盐导电溶液；具体的，所述含盐导电溶液包括硫酸钠溶液或氯化钾溶液。
所述Fenton氧化单元2用于将所述的三室微生物电解池单元1中产生的H2O2和Fe2+与所述生物阳极5中的出水进行充分混合并发生Fenton反应。由H2O2和Fe2+产生·OH，对废水中的难降解有机物进行降解。
所述中和单元3用于将所述Fenton氧化单元2中的出水根据水质情况进行中和处理。
所述沉淀单元4用于将中和单元3处理完成的含铁泥混合出水进行沉降，待沉降完成后澄清水从沉淀单元4上端溢流出去，含铁污泥沉降在污泥斗16中，最后将沉降在污泥斗16中的含铁污泥回流到所述的生物阴极6处。
本发明提供的一种基于微生物电解池的无药剂Fenton处理系统还可以采用以下技术措施进一步实现：
优选的，所述生物阳极5为碳纤维刷电极，碳纤维刷电极在二沉池出水污泥进行预培养约2个月。
优选的，在向所述生物阳极室进水前先用氮气对待处理有机废水进行吹托。
优选的，所述非生物阴极7为石墨板电极，对H2O2的产生效果较佳。
优选的，所述生物阳极5与生物阴极6、以及生物阳极5与非生物阴极7之间的电压均控制在0.2 V~0.8V。
优选的，所述的无药剂Fenton处理系统还包括搅拌装置14和曝气装置12，所述搅拌装置14设置于所述的Fenton氧化单元2和/或所述的中和单元3。所述曝气装置12设置于所述的非生物阴极7处，控制氧气流量在0.5 L/min ~1.4 L/min，所述曝气装置12包括曝气管、进气管和氧气瓶，所述进气管的一端与所述曝气管连接，所述进气管的另一端与所述氧气瓶连接，所述曝气管设置在所述非生物阴极室内。所述进气管上设有供气量调节阀和流量计。
优选的，所述的无药剂Fenton处理系统还包括蠕动泵15，所述三室微生物电解池单元1、Fenton氧化单元2、中和单元3和沉淀单元4之间均通过蠕动泵15来连接。
本发明提供的基于微生物电解池的无药剂Fenton处理系统的使用方法，包括以下步骤：
步骤1：将有机废水通过蠕动泵15通入生物阳极室中，有机废水填满生物阳极室并将生物阳极室密封，保证生物阳极室的厌氧环境，生物阳极5上生物膜中的微生物9对有机废水进行降解，并产生H+和e-，H+通过质子交换膜8进入生物阴极室和非生物阴极室，e-通过外电路传递到生物阴极6和非生物阴极7处，在生物阴极6处实现对Fenton铁泥的还原，再生Fe2+，在非生物阴极7处原位产生H2O2。
步骤2：将所述三室微生物电解池单元中的废水通过蠕动泵15通入所述Fenton氧化单元2，采用下端进水。在将废水通入Fenton氧化单元2时，将所述生物阴极室产生的Fe2+和所述非生物阴极室产生的H2O2通过计量加药泵13加入到所述Fenton氧化单元2。为保证废水在所述的Fenton氧化单元2中的停留时间，采用上端出水。
步骤3：将所述Fenton氧化单元2的出水，通过蠕动泵15通入所述的中和单元3，根据所述Fenton氧化单元2中出水的水质情况，进行中和处理。进水和出水分别为下端进水、上端出水。
步骤4：将所述中和单元3处理完成的废水从进水管中自上而下通入所述的沉淀单元4，使沉淀池中的废水在池中均匀分布后沿整个过水断面缓慢上升，出水从沉淀单元4上端的溢流口流出，含铁污泥在所述沉淀池中沉降，并最后进入污泥斗16中。
步骤5：将所述沉淀单元4中的含铁污泥通过蠕动泵15回流到所述生物阴极室。
优选的，所述生物阳极室进水和出水口需要一定的高差，通过蠕动泵15控制进水量和出水量，从而控制适当的水力停留时间，达到预定的处理效果。
优选的，所述的Fenton氧化单元2根据通过蠕动泵15控制进水量和出水量，保证废水停留时间不低于40 min，确定出水口的位置。
优选的，根据所述Fenton氧化单元2中水质情况，通过调整计量加药泵13的流量，确定最佳的Fenton试剂投加量。
优选的，所述中和单元3通过蠕动泵15控制进水量和出水量，保证对废水的中和处理效果。
优选的，所述沉淀单元4进水管下端设有伞状挡板，保证废水在池中均匀分布后沿整个过水断面缓慢上升。
优选的，所述沉淀单元4中水流上升速度小于颗粒截留的速度。
本发明的原理在于：
本发明提供的一种基于微生物电解池的无药剂Fenton处理系统，生物阳极5用于产生H+和e-，生物阴极6用于产生Fe2+，非生物阴极7用于产生H2O2，解决了要外源添加Fenton试剂的问题又完成了铁泥的资源化利用，同时克服了现有的电Fenton技术难以同时实现高效产生H2O2及Fe2+问题，降低了电能消耗，节约了处理成本。
本发明涉及的化学式包括：
生物阳极5：CxHyOz+（2x-z）H2O→xCO2+（4x+y-2z）H++（4x+y-2z）e- （1）
非生物阴极7：O2+2H++2e-→H2O2 （2）
生物阴极6：Fe3++e-→Fe2+ （3）
Fenton反应：Fe2++H2O2+H+→Fe3++·OH + H2O （4）
以下结合具体实施例对本发明进行详细论述，以便理解本发明的技术方案。
如图1所示，本发明提供的一种基于微生物电解池的无药剂Fenton处理系统依次包括三室微生物电解池单元1、Fenton氧化单元2、中和单元3和沉淀单元4。三室微生物电解池单元1用于对废水中污染物的降解，同时产生一定量H+和e-，H+通过质子交换膜8分别进入生物阴极室和非生物阴极室，e-通过外电路传递到生物阴极6和非生物阴极7处，在生物阴极6处从Fenton铁泥中产生Fe2+，且在非生物阴极7处产生H2O2。Fenton氧化单元2用于将三室微生物电解池单元1中产生的H2O2和Fe2+与所述生物阳极5中的出水进行充分混合，由H2O2和Fe2+产生·OH，对废水中的难降解有机物进行降解。中和单元3将Fenton氧化单元2中的出水进行中和处理。沉淀单元4将中和处理后的含铁泥混合出水进行沉降，待沉降完成后澄清水从上端溢流出去，含铁污泥沉降在污泥斗16中，最后将沉降在污泥斗16中的含铁污泥回流到所述的生物阴极6处。
如图2所示，本发明提供一种基于微生物电解池的无药剂Fenton处理系统，采用有机玻璃作为原材料制成三室微生物电解池单元1、Fenton氧化单元2、中和单元3和沉淀单元4。三室微生物电解池单元的尺寸为30×7×7 cm(长×宽×高)，Fenton氧化单元2的尺寸为15×20 cm(直径×高)，中和单元3尺寸为15×20 cm(直径×高)。
将三室微生物电解池单元1隔成三个部分，其中生物阳极室的尺寸为16×7×7cm(长×宽×高)，生物阴极室和非生物阴极室的尺寸为7×7×7cm(长×宽×高)，生物阳极室与生物阴极室、非生物阴极室通过质子交换膜8隔开，有机废水通过蠕动泵15进入生物阳极室。
生物阳极5材料碳纤维刷的尺寸为5×6cm(直径*长)，非生物阴极7材料石墨板尺寸为6×5×0.5cm(长×宽×厚度)，生物阴极6材料碳毡尺寸5×0.2cm(直径×厚度)。
有机废水通过蠕动泵15通入生物阳极室中，生物阳极5上生物膜中的微生物9对有机废水进行降解，并产生H+和e-，H+通过质子交换膜8分别进入生物阴极室和非生物阴极室，e-通过外电路传递到生物阴极6和非生物阴极7处，且在生物阴极6处产生Fe2+，在非生物阴极7处产生H2O2。从生物阳极室中的出水通过蠕动泵15通入Fenton氧化单元2，采用下端进水。在进水的同时并将所述的非生物阴极室和所述生物阴极室产生的H2O2和Fe2+，通过蠕动泵15控制流速，按一定比例的量加入所述的Fenton氧化单元2，保证废水在所述的Fenton氧化单元2中的停留时间。采用上端出水，通过蠕动泵15通入中和单元3，据水质情况对Fenton氧化单元2的出水进行中和处理，处理完成的废水通过蠕动泵15从进水管中自上而下进入沉淀单元4，中和处理后的含铁泥混合出水在沉淀池中均匀分布且沿整个过水断面缓慢上升，上清液从上端的溢流口流出。含铁污泥在沉淀池中沉降，最后进入污泥斗16。待沉降完成后，将含铁污泥通过蠕动泵15回流到生物阴极室中。
以上所述的仅是本发明的一些实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的创造构思的前提下，还可以做出其它变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于微生物电解池的无药剂Fenton处理系统，其特征在于，包括三室微生物电解池单元、Fenton氧化单元、中和单元、沉淀单元、第一电源和第二电源，所述三室微生物电解池单元包括生物阳极室、生物阴极室和非生物阴极室，所述生物阳极室内载有待处理的有机废水，所述生物阳极室内设有两个生物阳极，所述生物阴极室和所述非生物阴极室内分别设有生物阴极和非生物阴极， 其中一个所述生物阳极和所述生物阴极连接在所述第一电源的两端，另一个所述生物阳极和所述非生物阴极连接在所述第二电源的两端，
所述三室微生物电解池单元的出口与所述Fenton氧化单元的入口连接， 所述Fenton氧化单元的出口与所述中和单元的入口连接， 所述中和单元的出口与所述沉淀单元的入口连接， 所述沉淀单元的出口与所述生物阴极室的入口连接；
所述生物阳极、生物阴极和非生物阴极的材料为碳基材料，且所述生物阳极和所述生物阴极上接种有微生物。
2.根据权利要求1所述基于微生物电解池的无药剂Fenton处理系统，其特征在于：所述生物阴极室与所述生物阳极室通过阳离子交换膜或质子交换膜分隔，所述非生物阴极室与所述生物阳极室通过阳离子交换膜或质子交换膜分隔。
3.根据权利要求1所述基于微生物电解池的无药剂Fenton处理系统，其特征在于：所述非生物阴极室的阴极液包括含盐导电溶液。
4.根据权利要求1所述基于微生物电解池的无药剂Fenton处理系统，其特征在于：所述无药剂Fenton处理系统包括污泥斗，所述沉淀单元的出口与所述污泥斗的入口连接，所述污泥斗的出口与所述生物阴极室的入口连接。
5.根据权利要求1所述基于微生物电解池的无药剂Fenton处理系统，其特征在于：所述生物阳极与所述生物阴极之间的电压为0.2-0.8V，所述生物阳极与所述非生物阴极之间的电压为0.2-0.8V。
6.根据权利要求1所述基于微生物电解池的无药剂Fenton处理系统，其特征在于：所述无药剂Fenton处理系统还包括搅拌装置和曝气装置，所述搅拌装置设置在所述Fenton氧化单元和/或中和单元上，所述曝气装置包括曝气管、进气管和氧气瓶，所述进气管的一端与所述曝气管连接，所述进气管的另一端与所述氧气瓶连接，所述曝气管设置在所述非生物阴极室内。
7.根据权利要求6所述基于微生物电解池的无药剂Fenton处理系统，其特征在于：所述进气管上设有供气量调节阀和流量计。
8.根据权利要求1所述基于微生物电解池的无药剂Fenton处理系统，其特征在于：所述无药剂Fenton处理系统还包括多个蠕动泵，所述三室微生物电解池单元、Fenton氧化单元、中和单元和沉淀单元之间均通过蠕动泵连接。
9.根据权利要求1所述基于微生物电解池的无药剂Fenton处理系统，其特征在于：所述无药剂Fenton处理系统还包括pH调节装置，所述pH调节装置包括计量加药泵，所述计量加药泵与所述Fenton氧化单元连接。
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