一种污染物原位降解光电催化净水处理系统及方法

摘要

本发明属于城市黑臭水体以及湖库等水环境修复和富营养化防治、PPCPs(新兴污染物)原位降解领域，具体涉及一种污染物原位降解光电催化净水处理系统及方法。该系统由挺水植物、光催材料、复合微生物燃料电池工作原理以及生物电芬顿技术组成，包括浮板、光催化板、阴阳电极、外接电阻、铁碳微电解填料等部分组成。本发明在MFC工作原理的基础上引入挺水植物、光催化材料以及生物电芬顿技术，用于水体原位修复以及污染物去除同步产电。实现污染物去除同步产电、水处理零外部供能以及水环境原位修复三大效果。

权利要求

1.一种污染物原位降解光电催化净水处理系统，其特征在于：包括浮板，所述浮板包括格栅以及载体种植槽，载体种植槽为可拆卸浮床种植篮，在浮床种植篮装有固定填料并种植挺水植物；在所述浮板外侧设置一圈由导线连接的光催化板，在所述光催化板下方设置阴极，阴极浸于受污染水体的液面表面处，通过导线及电阻连接至阳极，所述阳极通过连接线固定浸没在受污染水体底部的厌氧底泥中；在所述浮板下方悬挂设置有铁碳微电解镂空填料球，在填料球内装设铁碳微电解填料；所述光催化板为TiO2/Fe2O3复合光电极，TiO2光电极，In2TiO5光电极，g‑C3N4光电极中的一种；所述阴极、阳极为石墨毡、碳毡或不锈钢丝网包裹活性炭颗粒中的一种或几种，厚度为5mm～20mm。

2.根据权利要求1所述的一种污染物原位降解光电催化净水处理系统，其特征在于：所述挺水植物为美人蕉、菖蒲或水蕹菜。

3.根据权利要求1所述的一种污染物原位降解光电催化净水处理系统，其特征在于：所述铁碳微电解填料用不锈钢网包裹，置于铁碳微电解镂空填料球中。

4.根据权利要求1所述的一种污染物原位降解光电催化净水处理系统，其特征在于：所述阴极、阳极、导线及外接电阻之间的连接均使用鳄鱼夹或金属连接器；连接阴极和阳极的导线从阴阳极材料的中央穿过；所述导线为铜丝或钛丝；所述外接电阻的阻值为200Ω～

1000Ω。

5.采用权利要求1‑4任一净水处理系统的处理方法，其特征在于：将所述系统置于受污染需修复水体中，将所述阳极置于受污染水体底部5cm～8cm处的厌氧底泥中。

6.根据权利要求5的处理方法，其特征在于：所述挺水植物的种植密度为8株/平方米～

15株/平方米。

说明书

一种污染物原位降解光电催化净水处理系统及方法

技术领域

[0001] 本发明是属于城市黑臭水体以及湖库等水环境修复和富营养化防治、PPCPs(新兴污染物)原位降解领域，具体涉及一种污染物原位降解光电催化净水处理系统及方法。

背景技术

[0002] 随着经济的发展、城市化进程的加快，大量生活污水与工业废水、农业面源污染等冲刷入河，导致越来越多的河湖库等地表水体完全丧失特有的生态功能，出现不同程度的城市黑臭和湖库水体富营养化，严重妨碍水体的资源利用，制约周边城镇经济发展及居民饮水安全，甚至导致水生生态系统的奔溃，对人类健康以及环境安全造成严重威胁。城市地表水体的污染物主要来源分为外源和内源污染，其中内源污染是外源污染长期排入，致使底泥中累积了大量氮磷有机物、重金属等有毒有害物质，成为了污染物质迁移转化的载体和蓄积库，此外，河道底泥与上覆水之间存在动态平衡关系，每时每刻进行物质和能量交换，内源治理不彻底，城市水体污染难以彻底去除。加上常规废水处理能耗高造成巨大的能源问题，现急需一种可以有效缓解水环境污染和能源危机双重困境的水处理技术。

[0003] 微生物燃料电池(MFC)技术是一种可以同步实现污染物原位降解和产电的水污染治理技术。以胞外产电菌为源动力，通过生物代谢过程氧化污染物中的有机物，将生物质能直接转化为电能，该技术在降解污染物的同时，实现了污染物中潜在能源的产电转化，符合污染物资源化利用的可持续发展理念。但目前单独的MFC在实际应用中受到低产电密度限制。将MFC与其他技术耦合，不仅可以克服MFC的不足，实现电量的原位应用，又可以提高耦合体系的水处理能力。但现有技术中对于MFC与其他技术耦合研究较少。

发明内容

[0004] 本发明为解决上述问题，在MFC工作原理的基础上引入挺水植物、光催化材料以及生物电芬顿技术，用于水体原位修复以及污染物去除同步产电。实现污染物去除同步产电、水处理零外部供能以及水环境原位修复三大效果。具体技术方案如下：

[0005] 一种污染物原位降解光电催化净水处理系统，包括浮板，所述浮板包括格栅以及载体种植槽，载体种植槽为可拆卸浮床种植篮，在浮床种植篮装有固定填料并种植挺水植物；在所述浮板外侧由导线连接设置光催化板，在所述光催化板下放设置阴极，阴极浸于受污染水体的液面表面处，通过导线及电阻连接至阳极，所述阳极通过连接线固定浸没在受污染水体底部的厌氧底泥中；在所述浮板下方悬挂设置有铁碳微电解镂空填料球，在填料球内装设铁碳微电解填料。

[0006] 进一步的，所述光催化板采用金属半导体材料、非金属半导体材料或复合半导体材料。

[0007] 进一步的，所述光催化板为TiO2/Fe2O3复合光电极，TiO2光电极，In2TiO5光电极，g‑C3N4光电极中的一种。

[0008] 进一步的，所述挺水植物为美人蕉、菖蒲或水蕹菜。

[0009] 进一步的，所述铁碳微电解填料用不锈钢网包裹，置于铁碳微电解镂空填料球中。

[0010] 进一步的，所述阴极、阳极为石墨毡、碳毡或不锈钢丝网包裹活性炭颗粒中的一种或几种，厚度为5mm～20mm。

[0011] 进一步的，所述阴极、阳极、导线及外接电阻之间的连接均使用鳄鱼夹或金属连接器；连接阴极和阳极的导线将从阴阳极材料的中央穿过；所述导线为铜丝或钛丝；所述外接电阻的阻值为200Ω～1000Ω。

[0012] 本发明还提采用前述净水处理系统的处理方法将所述系统至于受污染需修复水体中，将所述阳极置于受污染水体底部5cm～8cm处的厌氧底泥中。

[0013] 进一步的，所述挺水植物的种植密度为8株/平方米～15株/平方米。

[0014] 本发明通过利用挺水植物、光催化高分子材料、微生物燃料电池工作原理以及生物电芬顿技术对城市黑臭水体以及湖库等进行水环境修复，进一步降解水体中PPCPs的浓度，提高水质净化效率。挺水植物通过将氧气输送至根部，形成好氧环境，为微生物的生长提供适宜的环境，从而降解废水中的污染物；光催化材料在太阳光的激发下，产生电子与空穴，空穴与氢氧根结合生成羟基自由基，电子与氧气结合生成超氧自由基，同时，通过提高光催化材料的比表面积，可吸附大量污染物，将吸附在光催化材料表面的污染物氧化成二氧化碳，水等无机小分子，从而达到净化环境的目的；生物电芬顿技术利用微生物燃料电池系统阳极微生物氧化有机物产生电子，将生物质能直接转化为电能，形成水体生物微电芬顿环境，无需外部能量输入，去除废水中的污染物以及PPCPs等。最终实现水处理零外部供能以及提高水环境原位修复效果，通过生物代谢过程氧化污染物中的有机物。

[0015] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0016] 1.构建一种污染物原位降解光电催化无动力净水技术，提高受损水体中污染物去除率。本发明相比于传统水处理技术，在MFC工作原理的基础上，通过挺水植物、光催化材料以及生物电芬顿原理的协同作用，胞外产电菌在无氧状态下氧化有机物产生电子同时降解有机污染物，挺水植物的根部分泌的酶可以促进污染物降解，同时通过引入铁碳微电解环境以及光催化高分子材料，实现持久性污染物的高效降解，最终实现协同净化功能。解决了水环境原位修复和治理能耗高的情况，有效降低水体中污染物浓度和PPCPs的含量，推动实现可再生能源利用和污水处理零能耗技术。

[0017] 2.通过引入挺水植物、光催化材料以及生物电芬顿技术，有效改善的水质净化效率和能源利用率，提高太阳光利用率，强化降解能力。

[0018] 3.利用挺水植物作为浮床植物，不仅可以协同净化水体，而且无二次污染，增加了景观效益，优化生态环境。实施过程和后续效果中，不仅对人体和生态环境无伤害，而且还可以美化水域景观，对水生生物也起到了促进作用。

附图说明

[0019] 图1本发明小试装置结构示意图；

[0020] 图2本发明小试装置俯视图；

[0021] 附图标记：1、光催化板，2、阴极，3、铁碳微电解镂空填料球，4、定值电阻，5、导线，6、阳极，7、挺水植物，8、微生物，9、厌氧底泥。

具体实施方式

[0022] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0023] 如图1‑2所示，一种污染物原位降解光电催化净水处理系统，其特征在于：包括浮板，所述浮板包括格栅以及载体种植槽，载体种植槽为可拆卸浮床种植篮，在浮床种植篮装有固定填料并种植挺水植物7；在所述浮板外侧由导线连接设置光催化板1，在所述光催化板下放设置阴极2，阴极浸于受污染水体的液面表面处，通过导线5及电阻4连接至阳极6，所述阳极通过连接线固定浸没在受污染水体底部的厌氧底泥9中；在所述浮板下方悬挂设置有铁碳微电解镂空填料球3，在填料球内装设铁碳微电解填料。

[0024] 采用小试试验进行，设置试验装置(长方体，长40，宽20，高50cm)，试验装置运行的平均温度为30±5℃，采样孔建立在距离反应器底部5、10、20和30厘米的高度，整个容器体积为40L，用黑色塑料包裹整个试验装置，以防止藻类生长。

[0025] 实施例一

[0026] 在小试反应试验装置的底部中装入10cm的污泥，向其中加入废水进行模拟，在上覆水表面放置格栅以及载体种植槽，载体种植槽内装有石英砂，再将挺水种植在漂浮载体种植槽中，在挺水植物周围设置高分子光催化材料，通过连接线将其连接，搁置在阴极表面，在底泥5cm处设置阳极，以便于污染物富集，导线穿过阳极，经过外接电阻连接到阴极实现闭环电路，同时在阴极下悬挂铁碳微电解格栅以及铁碳微电解填料，构建铁碳微电解环境，其中铁碳微电解填料用不锈钢包裹，置于铁碳微电解格栅中。挺水植物主要为美人蕉、菖蒲以2∶1的比例种植在漂浮载体种植槽上。底泥为猪场厌氧硝化污泥，将底泥采集回来之后均匀混合，对污泥进行杂草、石子等去除，进行自然沉降24小时后密闭遮光储存在小试反应器内。废水为猪场进行沼气池厌氧处理后的污水。光催化材料选用复合半导体材料(TiO2/Fe2O3复合材料)。阴、阳极选用为碳毡。外接导线为钛丝。外接电阻为1000Ω的定值电阻。

[0027] 采用该种小试进行水质修复，对废水中的COD、氨氮、TP、PPCPs(选用土霉素以及四‑1环素作为代表污染物)浓度进行研究，废水中COD的初始浓度在324‑708mg L 之间变化，氨‑1 ‑1
氮的初始浓度在158‑284mg L ，TP的初始浓度在24‑35mg L ，土霉素的初始浓度在86‑‑1 ‑1
221mg L ，四环素的初始浓度约为21‑33.2mg L ，为了减少日变化对去除效率的影响，在当地时间10:00，每两天采集一次样品，同时记录系统运行、环境温度和天气。通过每日测量COD、氨氮、TP、土霉素以及四环素浓度来测定废水处理性能。实验结果表明，采用该小试装‑1
置后，经过两天稳定处理，平均出水浓度中，COD的浓度为102.7mg L ，氨氮的浓度为56.8mg ‑1 ‑1
L ，TP的浓度为1.73mg L ，该项技术针对于COD的平均去除效果为80％，氨氮去除率约为
74％，TP去除率高达94％，土霉素的去除效果约为97.3％，四环素去除率约为98.3％。

[0028] 实施例二

[0029] 在小试反应试验装置的底部中装入15cm的污泥，污泥取自去除杂草、石子后河道底泥，进行自然沉降24小时后密闭遮光储存在小试反应器内。向装置中加入生活废水进行模拟，在水体表面放置浮板(包含载体种植槽以及格栅)，并在浮板中种植菖蒲，将金属半导体材料(TiO2)作为高分子光催化材料富集在阴极表面，将阳极设置于距底泥上端5cm处，石墨毡作为阴阳极材料，钛丝作为导线穿过阳极，经过外接电阻(500Ω的定值电阻)连接到阴极，实现稳定产电，同时在阴极下构建铁碳微电解环境(构建方式如实施例一所述)。

[0030] 采用该种方案模拟生活污水直排河道形成黑臭水体水质修复，对废水中的典型污染物浓度进行研究，PPCPs(新兴污染物)中主要测定磺胺类抗生素以及四环素浓度，污水中‑1 ‑1COD的浓度在142‑350mg L 之间变化，氨氮的初始浓度在23‑48mg L ，TP的初始浓度在3‑‑1 ‑1
6mg L ，磺胺类抗生素的初始浓度在120‑520ng L ，四环素的初始浓度约为180‑600ng L‑1
，为了减少日变化对去除效率的影响，在当地时间8:00，每两天采集一次样品，同时记录系统运行、环境温度和天气。通过每日测量各种物质的浓度来测定废水处理性能。实验结果表明，采用该技术后，经过两天稳定处理，结果表明，COD的平均去除效果为89.67％，氨氮去除率约为78％，TP去除率高达97％，磺胺类抗生素的去除效果约为96％以及四环素去除率约为97％。

[0031] 上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下作出各种变化。