[发明专利]一种应用铁矿石催化生物电芬顿处理染料废水的方法

说明书

技术领域

本发明涉及水处理工艺领域，具体涉及生物电化学系统应用和类芬顿体系改进。

背景技术

1894年，法国科学家H.J.H.Fenton发现在酸性条件下，过氧化氢可以在Fe²⁺离子催化作用下能强烈有效的将酒石酸氧化，这一反应后来被称为芬顿（Fenton）反应。1964年加拿大学者H.R.Eisenhaner首次使用Fenton试剂处理苯酚和烷基苯废水获得成功后，Fenton法开始应用在去除水中难降解有机污染物方面，因其具有操作过程简单、反应速度快、对环境友好等优点而一直受到人们的青睐。

一般认为，Fenton反应能够产生很强的氧化能力是因为H₂O₂被Fe²⁺催化分解生成羟基自由基（·OH），并引发一系列连锁反应产生更多的其它自由基。Fenton反应的这种强氧化性，具有无选择性的特点，即能够氧化比羟基自由基氧化性差的其它各种物质而不是只针对一类或几类物质。染料废水具有色度高、COD高、盐度高、毒性高、可生化性差等特点，直接排放会对环境造成严重污染。因为普通生物处理方法效果较差，因此染料生产废水的治理一直是工业废水处理中的难点和热点。而Fenton法对氧化过程无选择性的特点使其在处理染料废水上较其它方法具有明显的优势。

普通Fenton法在暗条件下就能破坏有机物，但存在两个主要缺点：一是对有机物矿化不充分，初始有机物部分转化为某些中间产物，这些中间产物与Fe³⁺形成络合物，或与·OH的生成发生竞争，可能对环境的危害更大；二是直接投加H₂O₂和Fe²⁺成本较高，而且H₂O₂的利用率不高，造成浪费。将紫外光、电化学、超声波和微波等引入Fenton试剂体系，降低了铁和双氧水的用量，提高了Fenton试剂的利用率和有机物的降解率，形成了一系列类Fenton法，如光-Fenton法、电-Fenton法、超声-Fenton法等。近年来，类Fenton法在废水处理领域得到了广泛的研究和应用。这些方法虽然强化了Fenton反应氧化分解的能力与作用，但都存在需要投入较多能量的缺点。因此，降低能耗成为类Fenton试剂法应用于废水处理所面临的主要问题。目前，研究构建低能耗、高效率的类Fenton体系，成为国内外利用类Fenton试剂法处理难降解有机废水的重要研究内容和发展方向。

生物电化学系统（Bio-Electrochemical Systems，BESs）是一种利用微生物作为催化剂，将有机物中储存的化学能直接转化为电能的装置，包括微生物燃料电池（Microbial Fuel Cells，MFCs）和微生物电解池（Microbial electrolysis cells，MECs）。在阳极厌氧环境中，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子通过适宜的电子传递介体或纳米导线等被传递到阳极上，并通过外电路传递到阴极形成电流，而质子通过质子交换膜也传递到阴极，适宜的氧化剂在阴极得到电子被还原，从而形成一个完整的回路。BESs具有反应条件温和，处理污水的同时产生电能等优点，相关研究近年来引起了广泛关注，利用BESs阴极还原作用治理污染已成为目前环境工程领域的研究热点之一。

本发明将Fenton反应与BESs相结合，利用BESs产生的电能辅助建立Fenton反应，采用铁矿石催化反应处理难生物降解的染料废水。

发明内容

本发明的目的在于建立一种简单、廉价、高效的生物电化学阴极电芬顿方法，实现对生物难降解物质，特别是对染料废水的降解。

本发明涉及一种生物电化学系统，其包括生物反应器，所述生物反应器包括阳极室和阴极室，两极室通过能够透过离子的分隔物分隔。所述两极室内分别设阳极和阴极，并连接有导线引出反应器外，通过负载连接成通路。阳极与阴极均采用碳毡制作，不需要任何修饰改性，仅用1M硫酸煮沸一小时去除表面杂质；碳毡具有导电良好、比表面积大、利于微生物附着、利于过氧化氢产生、具有一定的化学惰性等特点。所述阴极室设有能向其中鼓气的曝气装置，使阴极液的溶解氧维持在饱和状态。

向所述阳极室内接种入具有产电活性的微生物，引入具有可生化性有机物的污水，保证厌氧环境，定时更换污水，使产电微生物生长并稳定产生电能。

向所述阴极室内引入染料废水，并通过加酸维持阴极溶液稳定在pH 1-5的酸性条件下。