【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于环境生物处理，具体涉及一种低碳生物类芬顿氧化耦合氢基质膜催化还原一体化装置及方法。
技术介绍
1、水是人类赖以生存和发展的物质基础，也是极易受人类活动干扰和污染的环境介质。近年来，新污染物(emerging contaminants，ecs)在水环境中不断检出，主要包括持久性有机污染物、内分泌干扰物、抗生素和微塑料，这类物质通常难以自然降解，具有生物毒性、环境持久性和生物累积性，对生态环境和人体健康存在潜在威胁。新污染物在污水处理系统中的削减成为了热点问题。
2、随着对于水环境系统生态完整性及健康水平的关注，以达标为目的的废水处理已不能满足水生态环境保护的需求，废水处理过程中如何实现低碳高效的污染物去除，如何保证低能耗、低物耗条件下持久性有机污染物高效降解，如何实现废水处理后残余污染物的毒性有效削减与管控，是废水处理的难点与重点问题。
3、生物处理因其绿色经济的特点，一直以来是我国污水处理的主要方式。该种方法主要是利用微生物的代谢功能对水中的污染物进行降解。但是由于新污染物性质的多样性及生物代谢的局限性，无论是生物氧化法还是生物还原法都无法高效地同时降解废水中的各类新污染物，亟待研发低碳、绿色、高效的新型技术。
4、氢气是一种清洁绿色的能源，同时也是一种常见的还原剂。氢基质膜催化反应器(h2-mcfr)是一种新型催化还原技术，该技术可以在中空纤维膜表面原位合成铂族金属纳米颗粒，中空纤维膜膜腔内的氢气在压力的作用下透过膜壁，以无泡曝气的模式直接扩散到膜表面的铂族金属催化剂上，催化剂
5、生物类芬顿氧化是指微生物产生的过氧化氢与二价铁发生类芬顿反应产生强氧化性的羟基自由基，并降解污染物的一种新型生物技术。胞外电子传递菌因其在好氧的条件下产生胞外过氧化氢、厌氧的条件下将三价铁还原为二价铁的特性，成为介导生物类芬顿氧化的典型菌种。胞外电子传递菌介导的类芬顿反应已被证明可以去除水中的多种难降解有机物。
6、太阳能是世界上最丰富、最普遍的可再生清洁能源之一。近年来，光伏技术作为主要的清洁能源之一在全球范围内备受关注。太阳能光伏发电是通过光生伏特效应将太阳光直接转化为电能。随着科技的不断进步，太阳能光伏发电技术也不断成熟，目前国内外已有一些研究将太阳能光伏发电技术与电解水制氢相结合。
7、将氢基质膜催化还原与生物类芬顿氧化耦合于一个反应器中，既可以降解性质不同的多种新污染物，又通过分区实现类芬顿反应底物的循环，而且通过太阳能光伏产生的电能电解水提供氢气和氧气，是一种低碳、绿色、高效的去除水中新污染物的策略。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于克服现有中的缺陷，并提供一种生物类芬顿氧化耦合氢基质膜催化还原一体化装置及方法。
2、本专利技术所采用的具体技术方案如下：
3、第一方面，本专利技术提供了一种生物类芬顿氧化耦合氢基质膜催化还原一体化装置，包括沿水流方向依次连通并构成循环通路的生物类芬顿氧化区、分离区、氢基质膜催化还原区和回流区，各反应区内投加有磁性铁氧化物和胞外电子传递菌；
4、所述生物类芬顿氧化区下部设有朝上出水的布水气盘，布水气盘通过设有微纳米气泡发生器的进水管与外部连通，位于微纳米气泡发生器上游的进水管还通过氧气管与电解水系统的产氧端连通；电解水系统连接有用于供电的太阳能光伏发电系统；所述分离区内部通过竖直设置的分离区纵隔板分隔为位于生物类芬顿氧化区上方的释气室和位于氢基质膜催化还原区上方的沉淀室；所述释气室相对密封且顶部设有排气管，底部通过若干间隔设置的释气室斜板与生物类芬顿氧化区连通，底部还通过导流口与氢基质膜催化还原区连通；所述分离区纵隔板底部倾斜布设有上游导流板，上游导流板使释气室中的水流能够大部分进入氢基质膜催化还原区且少部分进入沉淀室；所述沉淀室上部设有溢流堰，底部与氢基质膜催化还原区连通，溢流堰上设有用于排出清液的出水管；所述氢基质膜催化还原区位于生物类芬顿氧化区的水平旁侧且两者之间通过竖直设置的主纵隔板分隔，氢基质膜催化还原区内部悬挂有若干竖直设置的中空纤维膜组件，且每个中空纤维膜组件的一端均通过氢气管与电解水系统的产氢端连通；所述主纵隔板底部设有倾斜的下游导流板，下游导流板与反应器底部之间构成回流口，回流口用于将氢基质膜催化还原区产生的泥水混合液经由回流区引导至生物类芬顿氧化区；回流区底部设有排泥管。
5、作为优选，所述生物类芬顿氧化区、分离区、氢基质膜催化还原区和回流区均位于一个柱形容器内，各反应区的体积比为1：5：5：4。
6、作为优选，所述磁性铁氧化物为针铁矿、磁铁矿、纤铁矿、赤铁矿中的任意一种或混合物，粒径为0.2～1mm；胞外电子传递菌为希瓦氏菌或地杆菌。
7、作为优选，所述氢基质膜催化还原区的侧壁上设有若干用于通过绳索悬挂中空纤维膜组件的挂钩。
8、作为优选，所述中空纤维膜组件包括法兰、密封头和中空纤维膜束；5～10个中空纤维膜束的两端通过环氧树脂粘接固定于密封头中，密封头另一端连接有法兰；每个中空纤维膜束由80～120根无孔聚丙烯材质的中空纤维膜丝组成；其中，与氢气管相连的一侧中空纤维膜束的内孔未被环氧树脂密封，不与氢气管相连的另一侧中空纤维膜束的内孔用环氧树脂密封。
9、进一步的，所述法兰的水平直径与氢基质膜催化还原区水平直径之比为1：(2～3)。
10、进一步的，所述中空纤维膜丝的外径为0.2mm，内径为0.1～0.11mm，表面负载有金属纳米催化剂，金属纳米催化剂的负载量为0.2～1.0g/m2；所述金属纳米催化剂的金属种类包括铂、钯、铑、铱。
11、作为优选，所述氢基质膜催化还原区中竖直间隔投放2～3个中空纤维膜组件，相邻中空纤维膜组件之间的距离为中空纤维膜组件长度的0.5～1倍。
12、作为优选，所述中空纤维膜组件的竖向长度与氢基质膜催化还原区的高度之比为1：(2.5～5)。
13、第二方面，本专利技术提供了一种利用第一方面任一所述生物类芬顿氧化耦合氢基质膜催化还原一体化装置对含难降解有机物废水的处理方法，具体如下：
14、s1：向各反应区内加入胞外电子传递菌和磁性铁氧化物，胞外电子传递菌的接种量为109～1010cells/ml，磁性铁氧化物的投加量为1～2g/l，待处理的废水通过布水气盘进入生物类芬顿氧化区；在生物类芬顿氧化区中，胞外电子传递菌通过好氧呼吸产生胞外过氧化氢，过氧化氢与磁性铁氧化物表面的二价铁发生芬顿反应，产生强氧化性的羟基自由基，对易氧化的污染物进行降解；
15、s2：经生物类芬顿氧化区处理后产生的泥水混合液和废气向上流动并经过释气室斜板进入释气室，在释气室中发生气体和泥水混合液的分离；分离后的气体经排气管排出本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种生物类芬顿氧化耦合氢基质膜催化还原一体化装置，其特征在于，包括沿水流方向依次连通并构成循环通路的生物类芬顿氧化区(I)、分离区(II)、氢基质膜催化还原区(III)和回流区(Ⅳ)，各反应区内投加有磁性铁氧化物(8)和胞外电子传递菌(9)；
2.根据权利要求1所述的生物类芬顿氧化耦合氢基质膜催化还原一体化装置，其特征在于，所述生物类芬顿氧化区(I)、分离区(II)、氢基质膜催化还原区(III)和回流区(Ⅳ)均位于一个柱形容器内，各反应区的体积比为1：5：5：4。
3.根据权利要求1所述的生物类芬顿氧化耦合氢基质膜催化还原一体化装置，其特征在于，所述磁性铁氧化物(8)为针铁矿、磁铁矿、纤铁矿、赤铁矿中的任意一种或混合物，粒径为0.2～1mm；胞外电子传递菌(9)为希瓦氏菌或地杆菌。
4.根据权利要求1所述的生物类芬顿氧化耦合氢基质膜催化还原一体化装置，其特征在于，所述氢基质膜催化还原区(III)的侧壁上设有若干用于通过绳索(20)悬挂中空纤维膜组件(21)的挂钩(19)。
5.根据权利要求1所述的生物类芬顿氧化耦合氢基质膜催化还
6.根据权利要求5所述的生物类芬顿氧化耦合氢基质膜催化还原一体化装置，其特征在于，所述法兰(26)的水平直径与氢基质膜催化还原区(III)水平直径之比为1：(2～3)。
7.根据权利要求5所述的生物类芬顿氧化耦合氢基质膜催化还原一体化装置，其特征在于，所述中空纤维膜丝的外径为0.2mm，内径为0.1～0.11mm，表面负载有金属纳米催化剂，金属纳米催化剂的负载量为0.2～1.0g/m2；所述金属纳米催化剂的金属种类包括铂、钯、铑、铱。
8.根据权利要求1所述的生物类芬顿氧化耦合氢基质膜催化还原一体化装置，其特征在于，所述氢基质膜催化还原区(III)中竖直间隔投放2～3个中空纤维膜组件(21)，相邻中空纤维膜组件(21)之间的距离为中空纤维膜组件(21)长度的0.5～1倍。
9.根据权利要求1所述的生物类芬顿氧化耦合氢基质膜催化还原一体化装置，其特征在于，所述中空纤维膜组件(21)的竖向长度与氢基质膜催化还原区(III)的高度之比为1：(2.5～5)。
10.一种利用权利要求1～9任一所述生物类芬顿氧化耦合氢基质膜催化还原一体化装置对含难降解有机物废水的处理方法，其特征在于，具体如下：
...【技术特征摘要】
1.一种生物类芬顿氧化耦合氢基质膜催化还原一体化装置，其特征在于，包括沿水流方向依次连通并构成循环通路的生物类芬顿氧化区(i)、分离区(ii)、氢基质膜催化还原区(iii)和回流区(ⅳ)，各反应区内投加有磁性铁氧化物(8)和胞外电子传递菌(9)；
2.根据权利要求1所述的生物类芬顿氧化耦合氢基质膜催化还原一体化装置，其特征在于，所述生物类芬顿氧化区(i)、分离区(ii)、氢基质膜催化还原区(iii)和回流区(ⅳ)均位于一个柱形容器内，各反应区的体积比为1：5：5：4。
3.根据权利要求1所述的生物类芬顿氧化耦合氢基质膜催化还原一体化装置，其特征在于，所述磁性铁氧化物(8)为针铁矿、磁铁矿、纤铁矿、赤铁矿中的任意一种或混合物，粒径为0.2～1mm；胞外电子传递菌(9)为希瓦氏菌或地杆菌。
4.根据权利要求1所述的生物类芬顿氧化耦合氢基质膜催化还原一体化装置，其特征在于，所述氢基质膜催化还原区(iii)的侧壁上设有若干用于通过绳索(20)悬挂中空纤维膜组件(21)的挂钩(19)。
5.根据权利要求1所述的生物类芬顿氧化耦合氢基质膜催化还原一体化装置，其特征在于，所述中空纤维膜组件(21)包括法兰(26)、密封头(27)和中空纤维膜束(28)；5～10个中空纤维膜束(28)的两端通过环氧树脂粘接固定于密封头(27)中，密封头(27)另一端连接有法兰(26)；每个中空纤维膜束(28)由80～...
【专利技术属性】
技术研发人员：厉巍，刘沁雅，刘勇弟，雷菊英，
申请(专利权)人：华东理工大学，
类型：发明
国别省市：
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