專利名稱：一種鐵碳微電極及污水的處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及環(huán)保技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種鐵碳微電極及污水的處理方法。
背景技術(shù)：
隨著社會的進步，人類生活水平的提高，各種工業(yè)污水、城鎮(zhèn)生活污水越來越多，這不僅造成了水資源的浪費而且嚴重影響了水體環(huán)境和城鎮(zhèn)形象，危機水體生物和人類的健康，因此需要對這些污水進行處理，使其符合國家和地方標(biāo)準(zhǔn)。 微電解技術(shù)是目前處理高濃度有機污水的一種理想工藝，它是在不通電的情況下，利用填充在污水中的微電解材料自身產(chǎn)生I. 2V電位差對污水進行電解處理，以達到降解有機污染物的目的。目前，微電解技術(shù)中最常用的微電極為鐵碳微電極，其電解反應(yīng)如下析氫腐蝕過程中，鐵為陽極，其反應(yīng)方程為Fe-2e_ —Fe2+，碳為陰極，其反應(yīng)方程式為2H+2e_ — 2[H] — H2 ;在有氧條件下鐵碳微電極中的鐵會發(fā)生吸氧腐蝕，反應(yīng)過程為2Fe2++02+4H+— 2H20+Fe3+, 02+4H++4e — 2H20,02+2H20+4e — 4OH。由以上反應(yīng)過程可知，鐵碳微電極的電極反應(yīng)會產(chǎn)生大量的Fe2+和Fe3+，其能夠與磷酸根、硫酸根等無機離子發(fā)生反應(yīng)，去除溶解性磷酸根、硫酸根等，還能還原部分有毒金屬離子，達到解毒的作用，從而能夠?qū)崿F(xiàn)對污水的處理?；阼F碳微電極在污水處理過程中顯現(xiàn)的優(yōu)異性能，其在垃圾滲濾液處理、醫(yī)藥污水處理、印染污水處理、炸藥污水處理和電鍍污水處理中得到了較廣泛地應(yīng)用。如，郭鵬等采用鐵碳微電極-H2O2法對垃圾滲濾液進行預(yù)處理，最終使得化學(xué)耗氧量(COD)和色度的去除率分別達到70%和90%以上，處理過的水的可生化性由O. 23增加到O. 68(郭鵬，黃理輝，黃寶玉，等.鐵碳微電解-H2O2法預(yù)處理晚期垃圾滲濾液[J].水處理技術(shù)，2008，34(12) :57 60.)。楊家村利用鐵碳微電解法對醫(yī)藥污水進行預(yù)處理，使得污水的生化需氧量與化學(xué)需氧量的比值(B0D5/C0D)明顯提高，酸度顯著下降，達到了污水二級排放標(biāo)準(zhǔn)(楊家村.鐵碳微電解-生化法處理醫(yī)藥污水[J].環(huán)境衛(wèi)生工程，2006，14 (3) :56 57.)。上述文獻中報道的鐵碳微電極為顆粒或粉末鐵碳填料構(gòu)成的鐵碳微電極，這種鐵碳微電極對污水的C0D、硝基苯類化合物、色度、重金屬等具有較高的去除率，然而這種傳統(tǒng)的顆?；蚍勰╄F碳填料微電解的方法無法達到同步除去污水中含氮污染物和含磷污染物的效果，且對氨氮的去除率較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種鐵碳微電極及污水的處理方法，本發(fā)明提供的鐵碳微電極能夠?qū)崿F(xiàn)同步去除污水中含氮污染物和含磷污染物的效果，而且其對有機物、氨氮、溶解性磷酸鹽具有較高的去除率。本發(fā)明提供一種鐵碳微電極，包括鐵基材和懸掛于所述鐵基材上的碳纖維。優(yōu)選的，所述碳纖維為聚丙烯腈基碳纖維、酚醛樹脂基碳纖維或浙青基碳纖維。優(yōu)選的，所述碳纖維懸掛于所述鐵基材上的懸空的長度為5cm 50cm。
優(yōu)選的，所述鐵基材的材質(zhì)為純鐵或含鐵合金；所述鐵基材為鐵管、鐵棒、鐵線、鐵絲或鐵片。優(yōu)選的，所述碳纖維通過纏繞、綁系或夾持的方式懸掛于所述鐵基材上。本發(fā)明提供一種污水的處理方法，包括以下步驟
a)將待處理的污水進行曝氣，得到含有溶解氧的污水；b)將上述技術(shù)方案所述的鐵碳微電極置于所述步驟a)得到的污水中進行污水處理。優(yōu)選的，所述步驟b)前還包括步驟向所述步驟a)得到的污水中加入碳源；或用活性污泥對所述步驟a)得到的污水進行好氧預(yù)掛膜處理。優(yōu)選的，所述步驟b)還可以為將上述技術(shù)方案所述的鐵碳微電極安裝于反應(yīng)器中，得到鐵碳微電極反應(yīng)器；將所述鐵碳微電極反應(yīng)器靜置于所述步驟a)得到的污水中進行污水處理。優(yōu)選的，所述鐵碳微電極在所述反應(yīng)器中的填充率為15% 85%。優(yōu)選的，所述進行污水處理的時間為10分鐘 5個月。本發(fā)明提供了一種鐵碳微電極，包括鐵基材和懸掛于所述鐵基材上的碳纖維。所述鐵碳微電極可用于污水處理，具體為將待處理的污水進行曝氣得到含有溶解氧的污水后，將所述鐵碳微電極靜置于所述含有溶解氧的污水中即可完成對污水的處理。在對污水進行處理的過程中，鐵碳微電極產(chǎn)生微電解作用凈化污水的同時，懸掛于所述鐵基材上的碳纖維能夠捕捉和吸附水體中的污濁物質(zhì)與活性微生物形成碳纖維生物膜，與鐵碳微電極的微電解共同對污染的水體起作用一方面，鐵碳微電極的電解過程產(chǎn)生微電流、大量的鐵離子、活性自由基、高吸附性鐵化合物等活性物質(zhì)，能夠提高生物活性和有機物的可生化降解性，去除水中的磷酸根、硫酸根和金屬離子等無機離子；另一方面，碳纖維具有高吸附性能和生物親和性，其微孔結(jié)構(gòu)和高吸附性尤其有利于世代周期較長的硝化菌的棲居繁殖和形成復(fù)雜的微生物膜系統(tǒng)，形成的微生物膜能夠快速地去除水中的有機物、氨氮、總氮和總磷等，并且鐵碳微電極電解產(chǎn)生的微電流和鐵離子對碳纖維生物膜的功能具有促進作用，提高了其對污水的處理能力，從而實現(xiàn)了同步去除污水中含氮污染物和含磷污染物的目的，尤其對氨氮和溶解性磷酸鹽具有較高的去除率。實驗結(jié)果表明，本發(fā)明提供的鐵碳微電極對污水中總氮的去除率可高于35%，總磷的去除率可高達100%，氨氮的去除率可達到98%，溶解性磷酸鹽的去除率為高于90%，另外，本發(fā)明提供的鐵碳微電極能夠除去污水中的總有機碳，去除率可達60%。另外，本發(fā)明提供的鐵碳微電極的碳纖維用量少，且能重復(fù)利用；鐵基材的來源廣泛，可利用廢舊鐵基材，價格低廉且處理成本低，從而降低了鐵碳微電極的制備和使用成本。本發(fā)明可以將所述鐵碳微電極直接置于待處理的污水中，也可以將其安裝于反應(yīng)器中后，將反應(yīng)器置于待處理的污水中，因此能夠根據(jù)待處理污水的種類選擇放置方式，能夠更加方便地實現(xiàn)對污水的處理，且在使用過程中所述鐵碳微電極可隨碳纖維的擺動脫落更新不易堵塞，使得維護和管理更加方便，從而降低了投資和運行的費用。


圖I為本發(fā)明實施例提供的鐵碳微電極的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實施例提供的鐵碳微電極反應(yīng)器的截面圖；圖3為本發(fā)明實施例提供的鐵碳微電極垂直安裝于污水水體底泥上的截面示意圖；圖4為本發(fā)明實施例提供的鐵碳微電極橫向安裝于污水水體底泥中的截面示意圖；圖5為本發(fā)明實施例提供的鐵碳微電極位于污水水體中的俯視圖。
具體實施例方式本發(fā)明提供了一種鐵碳微電極，包括鐵基材和懸掛于所述鐵基材上的碳纖維。鐵碳微電極是利用微電解的作用，處理污水的一種裝置。鐵碳微電極中的鐵和碳之間存在著電位差，從而形成了無數(shù)個細微的原電池。這些原電池以電位低的鐵作為陽極，電位高的碳作為陰極，陽極和陰極之間發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，從而使鐵受到腐蝕變成二價的鐵離子進入溶液中。由于Fe2+有混凝作用，它與污染物中帶微弱負電荷的微粒異性相吸，形成比較穩(wěn)定的絮凝物，而將污染物去除；在曝氣的情況下，鐵會發(fā)生吸氧腐蝕，產(chǎn)生大量的三價鐵離子，同時在陽極產(chǎn)生氫氧根離子，從而得到氫氧化鐵膠體絮凝劑，其可以有效地吸附、凝聚水中的污染物，從而增強對污水的凈化效果。本發(fā)明提供的鐵碳微電極包括鐵基材，在鐵碳微電極中，以鐵基材為陽極，其電化學(xué)反應(yīng)為Fe_2e_ — Fe2+，產(chǎn)生的亞鐵離子能夠與磷酸根、硫酸根等無機離子發(fā)生反應(yīng)，從而去除溶解性磷酸根、硫酸根等；所述亞鐵離子還能還原部分有毒金屬離子，達到解毒的作用；由于異性相吸的作用，它還能與污水中帶微弱負電荷的污染物形成較穩(wěn)定的絮凝物，從而去除帶微弱負電的污染物。在曝氣的情況下，鐵碳微電極中鐵基材中的鐵會和氧氣發(fā)生反應(yīng)，發(fā)生吸氧腐蝕，其反應(yīng)過程為 02+4H++4e_ — 2H20,02+2H20+4e_ — 40F, 2Fe2++02+4H. — 2H20+Fe3+，得到的 Fe3+能夠水解生成聚合度大的氫氧化鐵膠體絮凝劑，其可以有效地吸附、凝聚水中的污染物，從而增強了對污水的凈化效果。本發(fā)明對所述鐵基材的材質(zhì)、形狀等參數(shù)沒有特殊的限制，采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的鐵即可。在本發(fā)明中，所述鐵基材的材質(zhì)可以為純鐵，也可以為含鐵的合金；所述鐵基材可以為鐵管，也可以為鐵棒，還可以為鐵線、鐵絲或鐵片。本發(fā)明提供的鐵碳微電極包括碳纖維，所述碳纖維懸掛于所述鐵基材上。碳纖維是由有機纖維經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料，它具有優(yōu)異的力學(xué)性能，耐疲勞性好，熱碰撞系數(shù)小，耐腐蝕性好，本發(fā)明以碳纖維作為鐵碳微電極的陰極，其良好的性能增強了鐵碳微電極的微電解性能。鐵碳微電極的陰極的反應(yīng)方程式為2H+2e_ — 2 [H] — H2，其會產(chǎn)生大量的自由基，這種自由基具有較高的化學(xué)活性，能夠改變污水中許多有機物的結(jié)構(gòu)和特性，使有機物發(fā)生斷鏈或開環(huán)等反應(yīng)，從而實現(xiàn)對有機物的降解，達到去除有機污染物的目的。本發(fā)明對所述碳纖維的結(jié)構(gòu)、長度、直徑和形狀等參數(shù)沒有特殊的限制，采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的碳纖維即可，在本發(fā)明中，所述碳纖維可以為聚丙烯腈基碳纖維，也可以為酚醛樹脂基碳纖維，還可以為浙青基碳纖維；本發(fā)明所述碳纖維的直徑優(yōu)選為2μπι 15 μ m,更優(yōu)選為5 μ m 10 μ m,所述碳纖維的比表面積優(yōu)選為600cm2/g 2000cm2/g,更優(yōu)選為SOOcmVg 1500cm2/g。本發(fā)明對懸掛于所述鐵基材上的碳纖維的數(shù)量沒有特殊的限制，可以根據(jù)鐵基材的長度、直徑等參數(shù)、待處理的污水的污染程度和污水的體積等，確定懸掛于所述鐵基材上的碳纖維的數(shù)量，為了使所述碳纖維在所述鐵基材上的均勻分布，并且使懸掛的碳纖維的數(shù)量能夠得到較好的污水處理效果的鐵碳微電極，在采用上述直徑和比表面積的碳纖維和所述鐵絲時，本發(fā)明對所述碳纖維與所述鐵基材的質(zhì)量做以下限定，所述碳纖維與所述鐵基材的質(zhì)量比優(yōu)選為I : (I 10)，更優(yōu)選為I : (2 5)。本發(fā)明所述聚丙烯腈基碳纖維、酚醛樹脂基碳纖維或浙青基碳纖維為分別由聚丙烯腈纖維、酚醛樹脂纖維或浙青纖維經(jīng)碳化制得，本發(fā)明對所述碳纖維的制備方法沒有特殊限制，采用本領(lǐng)域人員熟知的碳纖維制備的技術(shù)方案即可。本發(fā)明可以按照有機纖維碳化的方法制備碳纖維，也可以購買碳纖維的商品。在本發(fā)明提供的鐵碳微電極中，所述碳纖維懸掛于所述鐵基材上。本發(fā)明對所述懸掛的方式?jīng)]有特殊的限制，可以通過纏繞的方式、也可以通過綁系的方式，還可以通過夾持的方式，將所述碳纖維懸掛于所述鐵基材上；可以將每根碳纖維分別懸掛于所述鐵基材上，也可以先將碳纖維集結(jié)成碳纖維束，然后將所述碳纖維束懸掛于所述鐵基材上。在本發(fā)明提供的鐵碳微電極中，所述碳纖維懸掛于所述鐵基材上。在本發(fā)明中，懸掛在所述鐵基材上的碳纖維能夠在水體中模擬人工水草捕捉和吸附污濁物質(zhì)與活性微生物，形成碳纖維生物膜，所述碳纖維生物膜能夠去除水中的有機物、氨氮、總氮和總磷等 ’另夕卜，鐵碳微電極的微電解作用產(chǎn)生的鐵離子有助于提高碳纖維生物膜的絮凝作用和微生物的生理活性，從而進一步地提高了碳纖維生物膜對污水的處理效果；而且微電解過程產(chǎn)生的微電流有助于促進碳纖維生物膜中微生物細胞的分裂和酶的活性，能提高碳纖維生物膜中微生物的活性與代謝能力，從而增強了碳纖維生物膜膜對污水的處理能力，提高了其對污水中污染物的去除率；曝氣產(chǎn)生的絮凝性極強的Fe (OH) 3會和碳纖維生物膜結(jié)合成一體，形成高效地吸附體系，從而能夠較徹底地去除水體中懸浮行污染物。本發(fā)明對所述碳纖維懸掛于所述鐵基材上懸空的長度沒有特殊的限制，只要能夠使懸空的碳纖維形成碳纖維生物膜即可。在本發(fā)明中，所述碳纖維懸掛于所述鐵基材上懸空的長度優(yōu)選為5cm 50cm，更優(yōu)選為IOcm 40cm。參看圖1，圖I為本發(fā)明實施例提供的鐵碳微電極的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，I為鐵基材，2為碳纖維，所述碳纖維2通過纏繞的方式懸掛于所述鐵基材I上，且所述碳纖維2懸掛的長度約為IOcm 15cm。在本發(fā)明中，鐵碳微電極上懸掛于所述鐵基材上的碳纖維能夠模擬人工水草捕捉和吸附污濁物質(zhì)與活性微生物，形成碳纖維生物膜，所述碳纖維生物膜能夠與鐵碳微電極的微電解共同作用于污染水體。一方面，微電解產(chǎn)生大量的鐵離子、活性自由基、高吸附性鐵化合物等，提高了有機物的可生化降解性，能夠去除水體中的磷酸根、硫酸根和金屬離子等無機離子；另一方面，碳纖維生物膜能夠去除水體中的有機物、氨氮、總氮和總磷等，從而實現(xiàn)了對污水中含氮污染物和含磷污染物的同步去除，尤其對氨氮和溶解性磷酸鹽磷具有較高的去除率。本發(fā)明提供的鐵碳微電極優(yōu)選按照以下方法制備將碳纖維懸掛于鐵基材上，得到鐵碳微電極。、
本發(fā)明優(yōu)選將上述技術(shù)方案所述的碳纖維剪成長度為20cm 40cm的碳纖維段，更優(yōu)選為25cm 30cm ;將得到的碳纖維段懸掛于上述技術(shù)方案所述的鐵基材上，得到鐵碳微電極。本發(fā)明可以通過纏繞的方式，也可以通過綁系的方式，還可以通過夾持的方式，將所述碳纖維段懸掛于所述鐵基材上，使所述碳纖維懸掛與所述鐵基材上的懸空的長度優(yōu)選為5cm 50cm,更優(yōu)選為IOcm 40cm。本發(fā)明提供的鐵碳微電極中的碳纖維懸掛于鐵基材上，能夠形成碳纖維生物膜，所述碳纖維生物膜與鐵碳微電極的微電解共同對受污染的水體起作用，而且，鐵碳微電極的電解作用還能夠促進碳纖維生物膜性能的提高，從而能夠?qū)崿F(xiàn)對污水中含氮污染物和含 磷污染物的同步去除，并且其對污水中氨氮和溶解性磷酸鹽具有較高的去除率。本發(fā)明提供一種污水的處理方法，包括以下步驟a)將待處理的污水進行曝氣，得到含有溶解氧的污水；b)將上述技術(shù)方案所述的鐵碳微電極置于所述步驟a)得到的污水中進行污水處理。本發(fā)明首先將待處理的污水進行曝氣，得到含有溶解氧的污水，本發(fā)明對所述曝氣的技術(shù)參數(shù)沒有特殊的限制，采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的曝氣的技術(shù)方案即可。在本發(fā)明中，通過對待處理的污水進行曝氣，使得所述污水中的溶解氧的濃度優(yōu)選在lmg/L以上。為了促進碳纖維生物膜的形成，對于碳源貧乏的污水，在得到含有溶解氧的污水后，本發(fā)明優(yōu)選向所述含有溶解氧的污水中加入外加碳源或用活性污泥對所述含有溶解氧的污水進行預(yù)掛膜處理，本發(fā)明對所述碳源的種類、預(yù)掛膜的技術(shù)方案沒有特殊的限制，采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的碳源、預(yù)掛膜的技術(shù)方案即可。得到含有溶解氧的污水后，本發(fā)明將上述技術(shù)方案所述的鐵碳微電極置于所述含有溶解氧的污水中進行污水處理。本發(fā)明可以直接將上述技術(shù)方案得到的鐵碳微電極置于所述含有溶解氧的污水中，也可以將所述鐵碳微電極安裝于反應(yīng)器中，得到如圖2所示的鐵碳微電極反應(yīng)器，將所述鐵碳微電極反應(yīng)器置于所述含有溶解氧的污水中，實現(xiàn)對污水的處理。參看圖2，圖2為本發(fā)明實施例提供的鐵碳微電極反應(yīng)器的截面圖，其中I為出水堰，2為本發(fā)明提供的鐵碳微電極，3為用于支撐所述鐵碳微電極的支撐架，4為用于支撐所述支撐架的格柵托架，5為進水口，6為出水口，7為空氣進口，8為排泥口；在所述鐵碳微電極反應(yīng)器中，所述鐵碳微電極的填充率優(yōu)選為15% 85%，更優(yōu)選為20% 80%，最優(yōu)選為 25% 70%。在本發(fā)明中，如圖2所示，待處理的污水由進水口 5進入到鐵碳微電極反應(yīng)器中，通過空氣進口 7向所述鐵碳微電極反應(yīng)器中通入空氣，對其中的污水進行曝氣處理，使得污水溶解氧的含量在lmg/L以上；完成曝氣處理后，污水流經(jīng)鐵碳微電極3，然后經(jīng)過出水堰I從出水口 6流出鐵碳微電極反應(yīng)器，得到處理后的污水。本發(fā)明在使用圖2所示的鐵碳微電極反應(yīng)器處理污水的過程中，處理過程產(chǎn)生的泥通過排泥口 8排出反應(yīng)器。排泥口 8排出的泥中含有大量的磷鐵鹽，本發(fā)明可以將所述磷鐵鹽進行收集，加以回收利用，實現(xiàn)污水處理廢料的重復(fù)利用，增加了本發(fā)明提供的鐵碳微電極處理污水方法的附加值。將本發(fā)明提供的鐵碳微電極直接放置于待處理的污水中時，本發(fā)明對所述鐵碳微電極在污水中的放置方式?jīng)]有特殊的限制，可以采用如圖3所示的方式，也可以采用圖4所示的方式，還可以采用圖3和圖4所示方式的組合。參看圖3，圖3為本發(fā)明實施例提供的鐵碳微電極垂直安裝于污水水體底泥上的截面示意圖，其中，I為水體的岸，所述水體可以為河、湖或池等，2為水面，3為水體底泥，所述水水體可以河、湖或池等，4為本發(fā)明提供的鐵碳微電極。在圖3所示的放置方式中，本發(fā)明提供的鐵碳微電極中的鐵基材直接插入污水水體的底泥中，實現(xiàn)鐵碳微電極的固定。參看圖4，圖4為本發(fā)明實施例提供的鐵碳微電極橫向安裝于污水水體底泥中的截面示意圖，其中，I為水體的岸，所述水體可以為河、湖或池等，2為水面，3為鐵碳微電極，4為支架，5為水體底泥，所述水體可以為河、湖或池等。在圖4所示的放置方式中，本發(fā)明通過支架4將所述鐵碳微電極3固定在污水水體的底泥中，實現(xiàn)對鐵碳微電極的固定。
在本發(fā)明中，所述鐵碳微電極在污水中放置好以后，其俯視結(jié)構(gòu)可以如圖5所示，圖5為本發(fā)明實施例提供的鐵碳微電極位于污水水體中的俯視圖。其中，I為鐵，2為碳纖維。本發(fā)明將所述鐵碳微電極置于所述待處理污水進行污水處理。本發(fā)明對所述進行污水處理的時間沒有特殊的限制，采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的鐵碳微電極進行污水處理所需的時間即可，在本發(fā)明中，所述進行污水處理的時間優(yōu)選為10分鐘 5個月。在所述進行污水處理的過程中，本發(fā)明提供的鐵碳微電極中懸掛于所述鐵基材上的碳纖維會捕捉和吸附污水中的污濁物質(zhì)與活性微生物，形成碳纖維生物膜，所述碳纖維生物膜能夠?qū)λw中的有機物進行吸附、氨化、硝化或反硝化等生化反應(yīng)，將有機物分解成小分子的有機物，實現(xiàn)對有機污染物的降解；將氨轉(zhuǎn)換成硝基氮，所述硝基氮能夠被微生物利用，或?qū)鞭D(zhuǎn)換成氮氣被去除；同時，鐵碳微電極的微電解作用產(chǎn)生大量的鐵離子和自由基，自由基能夠?qū)⑺械挠袡C物分解成小分子的有機物，將溶解性磷酸鹽與鐵結(jié)合以磷鐵鹽的形式被去除。因此，本發(fā)明提供的鐵碳微電極能夠?qū)崿F(xiàn)對水體中含氮污染物和含磷污染物的同步去除，而且對氨氮和溶解性磷酸鹽具有較高的去除率。為了驗證本發(fā)明提供的鐵碳微電極對污水的處理效果，本發(fā)明優(yōu)選以長寬高分別為30cm、30cm和40cm的玻璃缸模擬自然水體,如湖或池，向其中加入下水道污水和/或河水，將上述技術(shù)方案所述的鐵碳微電極如圖5所示的放置方式置于所述玻璃缸中，將所述玻璃缸中的水進行曝氣處理，使其溶解氧的含量在lmg/L以上，將整個裝置放置5天后，檢測得到對總有機碳、總氮、總磷、氨氮、溶解性磷酸鹽的去除率。實驗結(jié)果表明，本發(fā)明提供的鐵碳微電極對污水中總有機碳的去除率高于30%，對總氮的去除率可高于35%，對總磷的去除率可達90%，對氨氮的去除率可達到98%，對溶解性磷酸鹽的去除率高于90%，這表明，本發(fā)明提供的鐵碳微電極對污水具有較高的凈化效果，可以同時除去污水中的含氮污染物和含磷污染物，尤其對氨氮和溶解性磷酸鹽具有較高的去除率。本發(fā)明提供了一種鐵碳微電極，包括鐵基材和懸掛于所述鐵基材上的碳纖維。所述鐵碳微電極可以用于對污水的處理，具體為將本發(fā)明提供的鐵碳微電極靜置于曝氣后的待處理的污水中進行污水處理。在對污水進行處理的過程中，鐵碳微電極產(chǎn)生微電解作用凈化污水的同時，懸掛于所述鐵基材上的碳纖維能夠捕捉和吸附污濁物質(zhì)與活性微生物形成碳纖維生物膜，與鐵碳微電極的微電解共同對污染的水體起作用一方面，鐵碳微電極的微電解產(chǎn)生微電流、大量的鐵離子、活性自由基、高吸附性鐵化合物等，能夠提高生物活性和有機物的可生化降解性，去除水中的磷酸根、硫酸根和金屬離子等無機離子；另一方面，碳纖維具有高吸附性能和生物親和性，其微孔結(jié)構(gòu)和高吸附性尤其有利于世代周期較長的硝化菌的棲居繁殖和形成復(fù)雜的微生物膜系統(tǒng)，形成的碳纖維生物膜能夠快速地去除水中的有機物、氨氮、總氮和總磷等，并且鐵碳微電極電解產(chǎn)生的微電流和鐵離子對碳纖維生物膜的功能具有促進作用，提高了其對污水的處理能力，從而實現(xiàn)了對污水中含氮污染物和含磷污染物的同步去除，尤其對有機物、氨氮和溶解性磷酸鹽具有較高的去除率。另外，本發(fā)明提供的鐵碳微電極中碳纖維的用量少且能重復(fù)利用，鐵基材的來源廣泛，可利用廢舊鐵基材，其價格低廉，降低了鐵碳微電極的制造和使用成本；本發(fā)明提供的鐵碳微電極不局限于反應(yīng)器內(nèi)對污水進行處理，可以直接將其放置于水體中，可以根據(jù)污染水體的類型進行放置方式的選擇，能夠更加方便地實現(xiàn)對污水的處理，而且在使用的過程中所述鐵碳微電極不易堵塞，使得維護和管理更加方便，節(jié)省了投資和運行費用。同時，本發(fā)明提供的鐵碳微電極將生物膜法和化學(xué)法處理相結(jié)合，能夠穩(wěn)定、有效地對水質(zhì)進行改善，不會危害水體生物，對水體環(huán)境具有修復(fù)能力。為了進一步說明本發(fā)明，以下結(jié)合實施例對本發(fā)明提供的鐵碳微電極及污水的處理方法進行詳細描述，但不能將它們理解為對本發(fā)明保護范圍的限定。實施例I將比表面積為1000m2/g、直徑為7 μ m的聚丙烯腈基碳纖維剪成長度約為25cm 30cm的小段纖維束，將5g所述聚丙烯腈基碳纖維束分別通過纏繞的方式使其懸掛于直徑為5mm、質(zhì)量為25g的鐵絲上，所述碳纖維懸掛于所述鐵絲上的懸空的長度約為10cm，得到如圖I所示結(jié)構(gòu)的鐵碳微電極。并將其按照圖5所示的安裝方式，安裝于圖2所示的IOL的反應(yīng)器中，鐵碳微電極的填充率為75%，得到鐵碳微電極反應(yīng)器。取北京朝陽區(qū)立水橋段清河河水為處理對象，將所述鐵碳微電極反應(yīng)器置于其中，通過空氣進口 7對其進行曝氣，保持水體溶解氧的濃度為3mg/L 5mg/L，將鐵碳微電極反應(yīng)器在水里停留8小時，完成對污水的處理。實驗結(jié)果表明，本實施例提供的鐵碳微電極對北京朝陽區(qū)立水橋段清河河水中總有機碳的去除率為30 % 60 %，對總氮的去除率為15 % 30 %，對總磷的去除率為40 % 100%,對氨氮的去除率為60 % 90 %，對溶解性磷酸鹽的去除率大于90 %，這表明，本發(fā)明提供的鐵碳微電極能夠同時去除污水中的含氮污染物和含磷污染物，且對氨氮和溶解性磷酸鹽具有較高的去除率。比較例I將實施例I中的碳纖維單獨置于實施例I所用的北京朝陽區(qū)立水橋段清河河水中，采用與實施例I相同的處理條件，完成對污水的處理。實驗結(jié)果表明，單獨的碳纖維形成的碳纖維生物膜對總有機碳的去除率為10% 35%，對溶解性磷酸鹽的去除率小于10%，對水體中的有機污染物作用不明顯，與實施例I的實驗結(jié)果比較可以看出，本發(fā)明提供的鐵碳微電極能夠同時去除水體中的含氮污染物和含磷污染物，且對溶解性磷酸鹽具有較高的去除率，同時增大有機污染物的可生物化性，提高了對有機物的去除率。實施例2
將5g實施例I中的碳纖維分別通過纏繞的方式使其懸掛于IOg的鐵絲上，并使所述碳纖維的懸掛的長度約為15cm，得到如圖I所示結(jié)構(gòu)的鐵碳微電極。如圖4所示的放置方式，將所述鐵碳微電極放置于長寬高分別為30cm、30cm和40cm、盛有下水道污水的玻璃缸中，并向其中加入人工合成的含磷濃度為50mg/L的高磷酸鹽廢水，使得玻璃缸中污水的磷酸鹽中磷的濃度為5mg/L，用以模擬湖或池類污水水體。鐵碳微電極在玻璃缸中呈上下交錯雙層布置，如圖5所示，圖5為本發(fā)明實施例提供的鐵碳微電極位于污水水體中的俯視圖。鐵碳微電極對玻璃缸中的污水進行處理,具體過程為將玻璃缸曝氣使其溶解氧的濃度在lmg/L以上，數(shù)小時鐵開始腐蝕，五天后碳纖維表面形成穩(wěn)定的生物膜，此時處理完成。實驗結(jié)果表明，處理完成后，玻璃缸中水體的磷酸鹽的濃度小于O. 5mg/L,即本實施例提供的鐵碳微電極對水體中溶解性磷酸鹽的去除率為95%，對氨氮的去除率為98%， 對總有機碳、總氮和總磷的去除率均高于35%，這表明，本發(fā)明提供的鐵碳微電極能夠同時去除水體中的含氮污染物和含磷污染物，并且對于有機物、氨氮和溶解性磷酸鹽具有較高的去除率。實施例3將30g實施例I中所用的碳纖維通過纏繞的方式使其懸掛于30g的鐵絲上，并使碳纖維懸掛于所述鐵絲上的懸空的長度約為10cm，得到如圖I所示的鐵碳微電極。將得到的鐵碳微電極安裝于如圖2所示的IOL反應(yīng)器中，鐵碳微電極的填充率約為80%，得到鐵碳微電極反應(yīng)器。將所述鐵碳微電極反應(yīng)器置于實施例I的清河河水與實施例2地下道污水的混合水體中，混合水體中的總有機碳、總氮和總磷的含量分別為15 18mg/L、21 25mg/L和2 3. 5mg/Lo將混合水體進行曝氣，使其溶解氧的濃度為lmg/L 3mg/L,通過螺動泵連續(xù)進水，將混合水體在所述鐵碳微電極反應(yīng)器中停留12小時(HRT = 12h)后流出。反應(yīng)數(shù)小時后，鐵碳微電極表面發(fā)生微電解腐蝕，三天后形成穩(wěn)定的碳纖維生物膜，連續(xù)運行30天后，完成對混合污水的處理。結(jié)果表明，在水力停留時間為12小時情況下，本實施例提供的鐵碳微電極反應(yīng)器對混合水體中總有機碳、總氮、氨氮、總磷的平均去除率分別為41%、37%、93%和96. 2%,這表明，本實施例提供的鐵碳微電極能夠同步除去污水中的含氮污染物和含磷污染物，且對有機物、氣氣和總憐具有較聞的去除率。比較例2將30g與實施例3所用的碳纖維長度、直徑相同的醛化纖綸剪成長約25cm 30cm的小段纖維束，將其代替實施例3中的碳纖維，將得到的鐵-醛化纖綸系統(tǒng)置于與實施例3相同的條件下，對實施例3中的混合水體進行污水處理，得到污水處理結(jié)果。結(jié)果表明，本比較例形成生物膜的時間比實施例3形成碳纖維生物膜的時間推遲一周，而且形成生物膜的生物量少，活性低；鐵表面發(fā)生鈍化現(xiàn)象不能發(fā)生微電解反應(yīng)。本比較例提供的醛化纖綸-鐵系統(tǒng)對混合水體中總有機碳、總氮、氨氮、總磷的去除率分別為15%、25%、78%和6. 2%，與實施例3的實驗結(jié)果比較可知，碳纖維比常規(guī)軟性填料醛化纖綸具有更優(yōu)的生物膜處理效果，而且碳纖維與鐵基材的組合能夠使產(chǎn)生鐵碳微電解反應(yīng)，因此其具有更優(yōu)的污水處理能力。
由以上實施例可知，本發(fā)明提供的鐵碳微電極包括鐵基材和懸掛于所述鐵基材上的碳纖維，所述懸掛于所述鐵基材上的碳纖維能夠在水體中捕捉和吸附污濁物質(zhì)與活性微生物，形成碳纖維生物膜，得到的碳纖維生物膜能夠與鐵碳微電極的微電解共同作用于污染的水體一方面，碳纖維具有高吸附性能和生物親和性，其微孔結(jié)構(gòu)和高吸附性尤其有利于世代周期較長的硝化菌的棲居繁殖和形成復(fù)雜的微生物膜系統(tǒng)，形成的碳纖維生物膜能夠快速去除水中的有機物、氨氮、總氮和總磷等；另一方面，鐵碳微電極的電解過程會產(chǎn)生微電流、大量的鐵離子、活性自由基、高吸附性鐵化合物等，這些物質(zhì)能夠提高生物活性和有機物的可生化降解性，去除水中的磷酸根、硫酸根和金屬離子等無機離子。而且，鐵碳微電極電解產(chǎn)生的微電流和鐵離子還能夠促進碳纖維生物膜的活性的提高，更進一步地促使其對污水進行處理，由于碳纖維生物膜和鐵碳微電解過程的同時作用，使得本發(fā)明提供的鐵碳微電極能夠同時去除水體中的含氮污染物和含磷污染物，尤其對氨氮和溶解性磷酸鹽具有較高的去除率。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種鐵碳微電極,包括鐵基材和懸掛于所述鐵基材上的碳纖維。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鐵碳微電極，其特征在于，所述碳纖維為聚丙烯腈基碳纖維、酚醛樹脂基碳纖維或浙青基碳纖維。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鐵碳微電極，其特征在于，所述碳纖維懸掛于所述鐵基材上的懸空的長度為5cm 50cm。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鐵碳微電極，其特征在于，所述鐵基材的材質(zhì)為純鐵或含鐵合金； 所述鐵基材為鐵管、鐵棒、鐵線、鐵絲或鐵片。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鐵碳微電極，其特征在于，所述碳纖維通過纏繞、綁系或夾持的方式懸掛于所述鐵基材上。
6.一種污水的處理方法，包括以下步驟 a)將待處理的污水進行曝氣，得到含有溶解氧的污水； b)將權(quán)利要求I 5任意一項所述的鐵碳微電極置于所述步驟a)得到的污水中進行污水處理。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述步驟b)前還包括步驟 向所述步驟a)得到的污水中加入碳源； 或用活性污泥對所述步驟a)得到的污水進行好氧預(yù)掛膜處理。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述步驟b)還可以為 將權(quán)利要求I 5任意一項所述的鐵碳微電極安裝于反應(yīng)器中，得到鐵碳微電極反應(yīng)器； 將所述鐵碳微電極反應(yīng)器靜置于所述步驟a)得到的污水中進行污水處理。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述鐵碳微電極在所述反應(yīng)器中的填充率為15% 85%。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述進行污水處理的時間為10分鐘 5個月。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種鐵碳微電極，包括鐵基材和懸掛于所述鐵基材上的碳纖維。本發(fā)明將所述鐵碳微電極直接靜置于曝氣后的污水中即可完成對污水的處理。本發(fā)明提供的鐵碳微電極的微電解作用能夠產(chǎn)生微電流、鐵離子、活性自由基和高吸附性鐵化合物等，其能夠提高生物活性和有機物的可生化降解性，去除磷酸根、硫酸根和金屬離子等無機離子，達到凈化污水的目的；同時，懸掛于所述鐵基材上的碳纖維具有高吸附性能和生物親和性，其有利于微生物的棲居繁殖和形成復(fù)雜的微生物膜系統(tǒng)，能夠去除有機物、氨氮、總氮和總磷等。因此本發(fā)明提供的鐵碳微電極能夠?qū)崿F(xiàn)對污水中含氮污染物和含磷污染物的同步去除，且具有較高的有機物、氨氮和溶解性磷酸鹽的去除率。
文檔編號C02F1/461GK102633320SQ20121007673
公開日2012年8月15日 申請日期2012年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月21日
發(fā)明者余建平, 余輝, 劉倩, 姚理為, 杜東, 楊凡, 燕姝雯, 牛勇, 王雪, 田學(xué)達, 胡洋 申請人:余輝, 姚理為