一种同步催化氧化二级出水中难降解污染物与降解剩余污泥的方法技术

一种同步催化氧化二级出水中难降解污染物与降解剩余污泥的方法。它涉及二级尾水催化氧化处理、剩余污泥降解的方法。它是要解决现有的水中难降解污染物和剩余污泥处理成本高、资源化利用率低的问题。本方法：一、组建生物电化学耦合电芬顿反应系统；二、将营养液和电子受体溶液分别加入阳极室与阴极室，并将剩余污泥接种于阳极室，以含铁氧化物的碳刷作为复合阴极；培养至输出电压稳定且大于0.65V，启动成功；三、将待处理剩余污泥与含难降解污染物的二级出水分别加入阳极室与阴极室，进行同步处理；本方法的难降解污染物的处理率可达62％～99％，剩余污泥中有机物的降解率为40％～65％。可用于二级出水和剩余污泥的同步处理。

【技术实现步骤摘要】
一种同步催化氧化二级出水中难降解污染物与降解剩余污泥的方法
本专利技术属于生物电化学
以及高级氧化
，具体涉及一种实现含难降解污染物的二级出水降解和同步实现剩余污泥降解与资源化的方法。
技术介绍
生物质作为一种能源资源日益受到重视，是一类存在和分布十分广泛并且潜能蕴含巨大的能源形式，1kg生物质的化学需氧量相当于4kW·h的能量。微生物电化学系统是利用微生物作为催化剂，将生物质中的化学能转变为电能的系统，是一种有效回收能源和资源的新兴技术，已经受到全世界的普遍关注，MES系统中底物来源广泛，几乎所有可以被微生物氧化降解的污染物都可以作为MES的阳极底物，因此如今越来越多的剩余污泥可以作为MES系统中的阳极底物，一方面产生了电能，另一方面对剩余污泥本身进行了降解和减量，为剩余污泥的处理开辟了一个新的研究方法。现有的利用微生物电化学系统降解生物质的方法是，将剩余污泥等类型的生物质作为阳极底物，在阴极区加入电子受体，形成微生物电化学系统，从而将生物质中的化学能转变为电能，并且对阳极底物进行降解。如Jiang2011年发表在《生物资源技术》(BioresourceTechnology)中的文章《超声波预处理对微生物燃料电池中污泥的有机物降解和特性变化的影响》(Degradationandcharacteristicchangesoforganicmatterinsewagesludgeusingmicrobialfuelcellwithultrasoundpretreatment)，即采用剩余污泥作为阳极底物，启动时间为20d，在运行过程中对污泥的VSS和有机物进行了有效减量，同时产生了电能。但是传统的利用生物电化学对剩余污泥进行降解的方法一方面需要在阴极添加电子受体，增加运行成本，另一方面产生的电能没有进行原位的利用，导致了绿色能源的流失。电芬顿技术是芬顿氧化与电化学技术的组合，是高级氧化技术中的一种，在对难降解有机污染物的处理方面有其独特的优势：电芬顿技术通过电化学还原现场产生过氧化氢，从而避免了传统芬顿反应中过氧化氢难以运输、储存的问题。另外，二价铁离子能够在阴极不断再生，减少了铁污泥的产生，现有的电芬顿技术，如Noshin2016年发表在《化学与生物技术杂志》(JournalofChemicalTechnology&Biotechnology)的文章《利用微生物燃料电池电芬顿系统产电并促进酒精发酵和葡萄糖降解》(Electricitygeneration,ethanolfermentationandenhancedglucosedegradationinabio-electro-Fentonsystemdrivenbyamicrobialfuelcell)，其使用电芬顿法对草药废水的二级出水进行处理，在pH为3.0时，COD的处理效率可达84％。但是单独使用该技术能耗量高、均相催化剂易流失是该技术的缺点。
技术实现思路
本专利技术是要解决现有的水中难降解污染物或剩余污泥处理成本高、资源化利用率低的技术问题，而提供一种同步催化氧化二级出水中难降解污染物与降解剩余污泥的方法，利用生物电化学系统的产电性和阳极降解性以及电芬顿催化氧化技术的高效性，在一个系统中同步降解剩余污泥与二级出水中难降解污染物。本专利技术的一种同步催化氧化二级出水中难降解污染物与降解剩余污泥的方法，按以下的步骤进行：一、构建生物电化学耦合电芬顿同步降解系统：该反应系统由阳极室、阴极室、质子交换膜、外电阻及多通道数据采集器组成；质子交换膜在阳极室与阴极室中间；阳极室中部放置碳纤维刷作为阳极，其顶部设有集气口、集气袋，甘汞参比电极部分插入阳极室内，阳极室下方设置取样口，阳极室底部放置转子，与磁力搅拌器配合用于搅拌；阴极室中部放置含铁复合电极作为阴极，阴极正下方放置曝气头，与曝气泵用橡胶管相连，阴极室下方设置取样口，阴极室上方设置开口；所述阳极与阴极通过导线与外电阻串联，同时所述阳极、阴极以及参比电极通过导线与多通道数据采集器相连，记录该系统的电化学数据；二、同步降解系统的启动：将含有厌氧电活性菌的剩余污泥与阳极营养液以(30～35)：1的体积比加入系统的阳极室内，将阴极电子受体溶液加入系统的阴极室内，使用磁力搅拌器对阳极室内剩余污泥进行搅拌，启动期间保持阳极室的密封性以保证其厌氧状态，每5天更换一次阳极室剩余污泥与阳极营养液，每2天更换一次阴极电子受体溶液；当整个系统的输出电压持续稳定在0.65V以上后，则为启动成功；三、进行二级出水中难降解污染物与剩余污泥的同步降解：系统启动成功后，将待处理的剩余污泥加入至阳极室，将含难降解污染物的二级出水加入至阴极室，保证阳极室厌氧环境的同时，对阴极室曝气；40天更换一次阳极室剩余污泥，2天更换一次阴极室二级出水，完成二级出水中难降解污染物催化氧化与剩余污泥的同步降解。本专利技术的出发点一方面是由于剩余污泥的高效处理、妥善处置与最大程度资源化是有效解决污泥二次污染的需要，而剩余污泥作为一种生物质，可以用于微生物电化学系统中的阳极底物，在产电的同时进行自身的降解和减量，是近几年新型的污泥资源化技术。本专利技术的出发点另一方面是由于随着我国工业化与城镇化进程不断推进、人们生活水平的逐步提高，中国的城市污水处理厂二级处理出水中含有越来越多种类的难降解污染物，其中以染料和抗生素类物质为主，限制了处理后水这一宝贵资源的再生利用，二级出水中的难降解物质的有效去除方法为高级氧化技术，电芬顿技术由于其无污染、降解程度高、反应条件温和等优点成为高级氧化技术中的重要选择，但是其较高的能耗量成为制约了该技术的实际应用。同时电芬顿体系的稳定运行需要持续稳定的电子参与反应，而剩余污泥由于其丰富的有机质含量及溶解性有机物逐步水解溶出的特性，当将其作为微生物电化学系统的阳极底物时，可向外产生持续稳定的电子，若将其提供给电芬顿系统，不但可实现生物电的原位利用，又可为芬顿体系的持续反应提供稳定的电子供给。本专利技术利用微生物电化学系统中阳极电势一般为﹣0.3至0.5V，足以驱动阴极氧还原生产H2O2所需的阴极电势为0.269VVSNHE这一原理，将氧气分子作为微生物电化学耦合电芬顿系统的阴极电子受体，一方面可以产生过氧化氢进而与含铁复合阴极发生芬顿反应产生羟基自由基从而对阴极室难降解污染物进行降解；另一方面促进了阳极室内剩余污泥的降解与产电，从而实现阳极剩余污泥和阴极难降解污染物的同步处理。本系统的作用原理为：在本系统的阳极室，阳极的生物膜系统利用系统启动阶段富集的产电微生物(如Geobacter等)对生物质进行降解，主要是电化学活性菌利用阳极室内污泥的厌氧发酵过程产生的小分子有机物进行生长和代谢，加速污泥中有机物降解的同时，产生了电子和氢离子，电子通过电路进入阴极，氢离子通过质子交换膜进入阴极室；在阴极室，氧气与电子和氢离子原位生成过氧化氢，在二价铁离子存在的情况下，发生芬顿反应，形成·OH，从而对阴极室中的目标污染物进行降解。因此，本耦合系统可以在阳极室对生物质进行降解的同时，将产生的生物电应用于阴极室的电芬顿反应，从而对阴极室目标污染物进行同步的降解。该系统对不同种类的二级尾水难降解污染物在12～24小时处理率可达62％～9本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种同步催化氧化二级出水中难降解污染物与降解剩余污泥的方法，其特征在于该方法按以下的步骤进行：一、构建生物电化学耦合电芬顿同步降解系统：该反应系统由阳极室(1)、阴极室(2)、质子交换膜(3)、外电阻(4)及多通道数据采集器(5)组成；质子交换膜(3)设置在阳极室(1)与阴极室(2)之间；阳极室(1)中部放置碳纤维刷(1‑1)作为阳极，其顶部设有集气口(1‑2)、集气袋(1‑7)，甘汞参比电极(1‑3)部分插入阳极室内，阳极室下方设置取样口(1‑4)，阳极室底部放置转子(1‑5)，与磁力搅拌器(1‑6)配合用于搅拌；阴极室(2)中部放置含铁复合电极(2‑1)作为阴极，阴极正下方放置曝气头(2‑2)，与曝气泵(2‑3)用橡胶管相连，阴极室下方设置取样口(2‑4)，阴极室上方设置开口(2‑5)；所述阳极(1‑1)与阴极(2‑1)通过导线与外电阻(4)串联，同时所述阳极(1‑1)、阴极(2‑1)以及参比电极(1‑3)通过导线与多通道数据采集器(5)相连，记录该系统的电化学数据；二、同步降解系统的启动：将含有厌氧电活性菌的剩余污泥与阳极营养液以(30～35):1的体积比加入系统的阳极室(1)内，将阴极电子受体溶液加入系统的阴极室(2)内，使用磁力搅拌器对阳极室1内剩余污泥进行搅拌，启动期间保持阳极室(1)的密封性以保证其厌氧状态，每5天更换一次阳极室(1)的剩余污泥与阳极营养液，每2天更换一次阴极电子受体溶液；当整个系统的输出电压持续稳定在0.65V以上后，则为启动成功；三、进行二级出水中难降解污染物与剩余污泥的同步降解：系统启动成功后，将待处理的剩余污泥加入至阳极室(1)，将含难降解污染物的二级出水加入至阴极室(2)，保证阳极室(1)厌氧环境的同时，对阴极室(2)曝气；40天更换一次阳极室(1)剩余污泥，2天更换一次阴极室(2)二级出水，完成二级出水中难降解污染物催化氧化与剩余污泥的同步降解。...

【技术特征摘要】
1.一种同步催化氧化二级出水中难降解污染物与降解剩余污泥的方法，其特征在于该方法按以下的步骤进行：一、构建生物电化学耦合电芬顿同步降解系统：该反应系统由阳极室(1)、阴极室(2)、质子交换膜(3)、外电阻(4)及多通道数据采集器(5)组成；质子交换膜(3)设置在阳极室(1)与阴极室(2)之间；阳极室(1)中部放置碳纤维刷(1-1)作为阳极，其顶部设有集气口(1-2)、集气袋(1-7)，甘汞参比电极(1-3)部分插入阳极室内，阳极室下方设置取样口(1-4)，阳极室底部放置转子(1-5)，与磁力搅拌器(1-6)配合用于搅拌；阴极室(2)中部放置含铁复合电极(2-1)作为阴极，阴极正下方放置曝气头(2-2)，与曝气泵(2-3)用橡胶管相连，阴极室下方设置取样口(2-4)，阴极室上方设置开口(2-5)；所述阳极(1-1)与阴极(2-1)通过导线与外电阻(4)串联，同时所述阳极(1-1)、阴极(2-1)以及参比电极(1-3)通过导线与多通道数据采集器(5)相连，记录该系统的电化学数据；二、同步降解系统的启动：将含有厌氧电活性菌的剩余污泥与阳极营养液以(30～35):1的体积比加入系统的阳极室(1)内，将阴极电子受体溶液加入系统的阴极室(2)内，使用磁力搅拌器对阳极室1内剩余污泥进行搅拌，启动期间保持阳极室(1)的密封性以保证其厌氧状态，每5天更换一次阳极室(1)的剩余污泥与阳极营养液，每2天更换一次阴极电子受体溶液；当整个系统的输出电压持续稳定在0.65V以上后，则为启动成功；三、进行二级出水中难降解污染物与剩余污泥的同步降解：系统启动成功后，将待处理的剩余污泥加入至阳极室(1)，将含难降解污染物的二级出水加入至阴极室(2)，保证阳极室(1)厌氧环境的同时，对阴极室(2)曝气；40天更换一次阳极室(1)剩余污泥，2天更换一次阴极室(2)二级出水，完成二级出水中难降解污染物催化氧化与剩余污泥的同步降解。2.根据权利要求1所述的一种同步催化氧化二级出水中难降解污染物与降解剩余污泥的方法，其特征在于步骤一中所述的含铁复合电极(2-1)为Fe&Fe2O3/碳纤维或MnO2&Fe2O3/碳纤维。3.根据权利要求2所述的一种同步催化氧化二级出水中难降解污染物与降解剩余污泥的方法，其特征在于：Fe&Fe2O3/碳纤维的制备方法如下：将1.8gFeCl3-6H2O溶解在200ml的去离子水中，得到三价铁溶液；将3.6gNaBH4溶解在80ml的去离子水中，得到NaBH4溶液；将碳纤维刷洗净，在三价铁溶液...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵庆良，王维业，王琨，姜珺秋，丁晶，史珂，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23