一种基于光激发空穴为电子受体的生物强化处理难降解有机污染物的方法技术

本发明专利技术属于污水处理技术领域，公开了一种基于光激发空穴为电子受体的生物强化处理难降解有机污染物的方法。包括以下步骤：1)将复合半导体@载体材料置于反应器中，向接种有厌氧污泥的反应器中导入废水，使废水浸没所述复合半导体@载体材料；所述复合半导体@载体材料包括导电载体以及导电载体上负载的复合半导体材料；2)对厌氧污泥进行驯化培养一段时间，使复合半导体材料的表面负载生物膜，构建光激发空穴强化生物反应器；3)利用所述反应器在光照条件下处理废水中难降解污染物。本发明专利技术的方法将半导体光催化技术与生物处理技术耦合，利用半导体材料与微生物的协同反应加强对废水中有机污染物的强化降解，大大提高降解效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光激发空穴为电子受体的生物强化处理难降解有机污染物的方法
本专利技术属于污水处理技术，涉及一种基于光激发空穴为电子受体的生物强化处理难降解有机污染物的方法。
技术介绍
生物处理技术由于其操作方便、成本低和环境友好的特点，在工业废水处理领域有着广泛的应用。好氧生物技术作为废水处理的常用技术之一，有着处理效率高、降解周期短和出水水质好等特点。但是工业废水含有的污染物常常具有浓度大、毒性大和难生物降解的特性，当工业废水中含有高浓度的挥发性有机污染物(VOCs)时，不仅容易导致好氧生物体系崩溃，同时也会造成污染物在空气中挥发。厌氧生物技术具有处理负荷高和抗负荷能力强的特点，但是降解周期长的缺点限制了厌氧生物技术的应用和发展。为了解决上述存在的问题，缺氧生物技术作为一种高效的生物处理技术被广泛应用在废水处理领域，有机污染物作为碳源和有机电子供体被消耗，同时也为微生物生长代谢提供能量。但是缺氧生物技术在降解过程中需要合适并充足的电子受体(如：NO3-)，在实际废水处理的过程中投加电子受体势必导致处理成本的增加。因此，寻找合适且价格低廉的电子受体成为缺氧生物技术在废水处理方面进一步发展而无法回避的问题。近年来，为了提高常规生化技术的废水处理效率，研究学者将生物处理技术与高级氧化技术结合构建了许多新型的反应体系，其中包括有将半导体材料投加至生物体系，在光照下半导体材料受激发产生光生电子空穴对，用于氧化还原反应，进而强化生物对有机物的降解。半导体材料因其可以将光能转化为化学能的特点，在杀菌、污水处理和光解水制氢等领域有广泛的应用前景。光激发空穴作为生物降解过程中的电子受体不需要额外进行投加，是强化厌氧生物降解的理想电子受体。截止到目前，已经有许多研究学者证明了半导体材料和微生物能够共存在同一体系内，并且由于其二者的协同效应可以极大地增强体系对污染物的降解效果。这无疑为构建半导体材料强化生物体系提供了充分的理论支持。因此，基于现有技术的缺陷，亟需专利技术一种新的基于光激发空穴为电子受体的生物强化处理难降解有机污染物的方法。
技术实现思路
1.要解决的问题针对传统半导体光催化技术在处理难降解有机污染物时存在的效率低、成本高、催化剂回收困难，以及生物降解技术负荷低等问题，本专利技术将半导体光催化技术与生物处理技术进行耦合，利用半导体材料与微生物的协同反应加强对废水中有机污染物的强化降解。光激发空穴作为电子受体强化生物系统对有机污染物的降解，同时空穴作为生物降解过程中的电子受体不断被消耗，避免了光激发电子和空穴的复合，提高了半导体界面的反应效率，有利于提高体系对有机污染物的降解。2.技术方案为了解决上述问题，本专利技术所采用的技术方案如下：本专利技术提供了一种基于光激发空穴为电子受体的生物强化处理难降解有机污染物的方法，包括以下步骤：1-1)将复合半导体@载体材料置于反应器中，向接种有厌氧污泥的反应器中导入废水，使废水浸没所述复合半导体@载体材料；所述复合半导体@载体材料包括导电载体以及导电载体上负载的复合半导体材料；1-2)对厌氧污泥进行驯化培养一段时间，使复合半导体材料的表面负载生物膜，构建光激发空穴强化生物反应器；1-3)利用所述反应器在光照条件下处理废水中难降解污染物。所述的导电载体具有较高的表面积，良好的物理化学稳定性，无毒无害以及良好的生物相容性的特点，将复合半导体材料负载在导电载体上的作用为：便于构建复合半导体材料与微生物之间的耦合界面，避免半导体材料流失以及催化性能降低。如果直接投加复合半导体材料，则会产生半导体材料催化活性失活以及回收困难的问题。优选的方案，所述导电载体包括碳纸或碳毡。所述的导电载体需要满足一定的薄度的要求，太厚容易在导电载体上沉积过量的半导体材料导致成本增加以及半导体材料的利用率降低，太薄容易导致导电载体机械强度过低，承受不了水流冲击。优选的方案，所述复合半导体@载体材料包括BiVO4/FeOOH@CP、CdS/g-C3N4@GF或BiVO4/g-C3N4@GF中的任意一种。优选的方案，所述反应器包括石英反应器或玻璃反应器，为了具有更好的透光性，优选为石英反应器，提供可见光的光源包括可以是自然光照或能够模拟可见光的光源，包括LED灯以及氙灯。优选的方案，所述复合半导体@载体材料为BiVO4/FeOOH@CP，所述BiVO4/FeOOH@CP制备过程如下：首先利用电沉积法制备BiOI@CP；将BiOI@CP转化为BiVO4@CP，然后将所述的BiVO4@CP浸没在FeCl3·6H2O溶液中一段时间，用去离子水洗净，得到BiVO4/FeOOH@CP。优选的方案，所述污泥的接种浓度约为3.0～6.0g/L，所述厌氧污泥进行驯化培养的时间不得少于30天。优选的方案，所述电沉积法包括以下步骤：将Bi(NO3)3·5H2O和KI溶解在去离子水中；用硝酸调节pH值，然后与对苯醌乙醇溶液混合一段时间，得到混合物；将混合物添加到三电极系统中，在阴极电位下电沉积一段时间，将BiOI电沉积到碳纸上，制备成为BiOI@CP。优选的方案，所述BiOI@CP转化为BiVO4@CP的步骤如下：将VO(acac)2/DMSO溶液涂敷在BiOI@CP上，并以一定加热速率加热至一定温度，保持一段时间；用NaOH处理以除去过量的V2O5后，获得BiVO4@CP。优选的方案，所述废水中包括难降解有机污染物、Na2HPO4·12H2O、KH2PO4、MgSO4·7H2O、CaCl2以及微量元素混合溶液。优选的方案，所述难降解有机污染物包括含氮杂环有机物(如吡啶)，氯代有机物(如氯酚)以及抗生素类有机物(如四环素)。实施方式中选择吡啶作为目标污染物是由于吡啶作为工业上常用的溶剂和中间体被广泛应用在药物、杀虫剂、油漆、染料、炸药和石化等领域，因此工业废水中常常含有吡啶。吡啶由于其毒性和致畸性而对人体健康和环境质量产生不利影响，已被美国环境保护署列为重点污染物。一旦含有吡啶的工业废水未经处理排入环境，将会造成难以挽回的后果。因此，迫切需要开发一种有效且经济的处理方法以从废水中去除吡啶。优选的方案，本专利技术以150mL石英反应器(4.5×4.5×7.5cm)用于微生物驯化培养以及有机污染物降解，采用150WLED灯作为可见光源。以碳纸(CP，4×4cm)作为导电载体材料、所述的BiVO4/FeOOH半导体材料固定在碳纸载体上。优选的方案，所述BiVO4/FeOOH@CP的制备方法具体包括如下步骤：将1.94gBi(NO3)3·5H2O和6.64gKI溶解在100mL去离子水中。用硝酸将pH调节至1.7，然后与40mL对苯醌乙醇溶液(0.23M)混合5分钟。将混合物添加到三电极系统中，在-0.1V(vs.Ag/AgCl)的阴极电位下电沉积进行10分钟，将BiOI电沉积到CP上。然后，将1mLVO(acac)2/DMSO溶液涂敷在BiOI@CP上，并本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光激发空穴为电子受体的生物强化处理难降解有机污染物的方法，其特征在于：包括以下步骤：/n1-1)将复合半导体@载体材料置于反应器中，向接种有厌氧污泥的反应器中导入废水，使废水浸没所述复合半导体@载体材料；所述复合半导体@载体材料包括导电载体以及导电载体上负载的复合半导体材料；/n1-2)对厌氧污泥进行驯化培养一段时间，使复合半导体材料的表面负载生物膜，构建光激发空穴强化生物反应器；/n1-3)利用所述反应器在光照条件下处理废水中难降解污染物。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于光激发空穴为电子受体的生物强化处理难降解有机污染物的方法，其特征在于：包括以下步骤：
1-1)将复合半导体@载体材料置于反应器中，向接种有厌氧污泥的反应器中导入废水，使废水浸没所述复合半导体@载体材料；所述复合半导体@载体材料包括导电载体以及导电载体上负载的复合半导体材料；
1-2)对厌氧污泥进行驯化培养一段时间，使复合半导体材料的表面负载生物膜，构建光激发空穴强化生物反应器；
1-3)利用所述反应器在光照条件下处理废水中难降解污染物。


2.根据权利要求1所述的基于光激发空穴为电子受体的生物强化处理难降解有机污染物的方法，其特征在于：所述复合半导体材料包括BiVO4/FeOOH、CdS/g-C3N4或BiVO4/g-C3N4中的任意一种。


3.根据权利要求1或2所述的基于光激发空穴为电子受体的生物强化处理难降解有机污染物的方法，其特征在于：所述导电载体包括碳纸或碳毡，和/或所述反应器包括石英反应器或玻璃反应器。


4.根据权利要求3所述的基于光激发空穴为电子受体的生物强化处理难降解有机污染物的方法，其特征在于：所述复合半导体@载体材料包括BiVO4/FeOOH@CP、CdS/g-C3N4@GF或BiVO4/g-C3N4@GF中的任意一种。


5.根据权利要求4所述的基于光激发空穴为电子受体的生物强化处理难降解有机污染物的方法，其特征在于：所述BiVO4/FeOOH@CP制备过程如下：首先利用电沉积法制备BiOI@CP；再将BiOI@CP转化为BiVO4@CP，然后将所述的BiVO4@CP浸没在FeCl3·6H2O溶液中一段时间，用去离子...

【专利技术属性】
技术研发人员：江心白，施鹤飞，沈锦优，陈丹，侯成，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32