[发明专利]一种利用菌藻-催化电极强化无机氮去除的养殖尾水处理新方法

说明书

本发明提供了一种利用菌藻‑催化电极强化无机氮去除的养殖尾水处理新方法，属于废水处理技术领域。催化剂Co‑WO₃/SiC/TiO₂在紫外及可见光区域均有较高的吸光度，并且具有良好的电催化活性。将该催化剂负载于导电膜上得到的新型催化电极可直接作为电极应用于废水处理体系中。在双室光电耦合的微生物燃料电池体系中，该催化阴极可在6h内去除70％以上的氨氮，且氮气选择性高，副产物少。利用该催化电极膜构建菌藻共生催化电极耦合体系处理海水养殖尾水，在生物阳极、催化阴极以及藻的协同作用下氨氮去除率可达95％以上，平均无机氮去除率达90％左右，强化了尾水中无机氮的去除。

技术领域

本发明提供了一种新型光电催化电极的制备方法及其在菌藻共生体系中处理养殖尾水的应用，属于废水处理技术领域，涉及到催化剂Co-WO₃/SiC/TiO₂及其导电膜的制备方法和菌藻-催化电极耦合体系的构建，将该体系用于海水养殖尾水处理，能够在利用微生物产电的同时结合光、电催化及藻的协同作用实现无机氮的高效转化和去除。

背景技术

水产养殖业在我国具有重要地位，随着产业规模的扩大，养殖尾水的处理、排放和循环利用成为产业发展与环境保护之间重要的平衡点。养殖过程中投加的饵料和鱼类产生的粪便是尾水中的主要污染物来源，造成水体无机氮含量较高。无机态氮主要包括氨氮(NH₄⁺-N)、硝态氮(NO₃^--N)和亚硝态氮(NO₂^--N)等，均会对水体或鱼类产生直接或间接的危害，因此，在尾水排放或循环利用之前有效去除水体中的无机氮具有重要意义。

在无机氮中，氨氮是污染水体中含量较大的氮素存在形式，传统氨氮处理方法有折点加氯法、吹脱法、离子交换吸附法、生物脱氮法和反渗透方法等，随着氮素污染的加剧，这些方法因成本或副产物等因素的限制无法满足废水处理的需求，因此，一些新型脱氮技术，如厌氧氨氧化、短程硝化反硝化、光催化技术等近年来得到了深入研究和发展。此外，藻类对氨氮的吸收作用也在脱氮技术中逐渐得到应用。

光催化技术由于其高效、节能、矿化度高等优点被广泛应用于环境污染控制。作为光催化材料的半导体能够吸收利用光能，激发内部电子跃迁，生成具有强还原性的光生电子和具有强氧化性的空穴，空穴又可激发超氧自由基、羟基自由基等氧化因子，从而降解大部分污染物。然而自然光下半导体的电子-空穴对极易复合，通常需要对单一的半导体材料进行改性，元素掺杂和半导体复合是常见的改性策略。本发明以过渡金属三氧化钨(WO₃)，非金属半导体碳化硅(SiC)和二氧化钛(TiO₂)为原材料，通过微波法和溶胶凝胶法两步快速合成多元复合催化剂Co-WO₃/SiC/TiO₂，并将其负载于导电膜上，制备出具有优良光催化脱氮性能的新型膜电极。

海水养殖尾水盐度较大，无机氮含量偏高，对传统微生物处理技术来说具有更大的挑战。本发明对传统MFC结构进行改良，利用砂仓代替质子交换膜，节省了成本。将制备的新型催化电极膜作为阴极与生物阳极耦合，通过驯化使微生物适应高盐度废水，保留产电能力的同时实现污染物的去除。提供可见光照射后，阴极膜可发挥光、电催化作用促进产电和污染物去除，同时阴极室藻类的生长也进一步促进了无机氮的去除，这种菌藻-催化电极耦合体系强化了养殖尾水无机氮的脱除能力，并且具有成本较低的优势，具有巨大的应用潜力。

发明内容

本发明针对废水中无机氮降解转化率较低的不足，提供了一种利用菌藻-催化电极强化无机氮去除的养殖尾水处理新技术，包括复合催化剂Co-WO₃/SiC/TiO₂及其催化电极膜的制备方法。通过对膜组分的优化使该催化电极具有良好的导电性和催化活性，并可在光、电催化作用下去除无机氮。应用该电极膜作为阴极构建的废水处理体系在可见光照射下增加了藻的作用，构成菌藻-催化电极耦合体系，极大地强化了无机氮的转化和去除。

本发明的技术方案：