专利名称：一种铁碳微电极及污水的处理方法
技术领域：
本发明涉及环保技术领域，尤其涉及一种铁碳微电极及污水的处理方法。
背景技术：
随着社会的进步，人类生活水平的提高，各种工业污水、城镇生活污水越来越多，这不仅造成了水资源的浪费而且严重影响了水体环境和城镇形象，危机水体生物和人类的健康，因此需要对这些污水进行处理，使其符合国家和地方标准。 微电解技术是目前处理高浓度有机污水的一种理想工艺，它是在不通电的情况下，利用填充在污水中的微电解材料自身产生I. 2V电位差对污水进行电解处理，以达到降解有机污染物的目的。目前，微电解技术中最常用的微电极为铁碳微电极，其电解反应如下析氢腐蚀过程中，铁为阳极，其反应方程为Fe-2e_ —Fe2+，碳为阴极，其反应方程式为2H+2e_ — 2[H] — H2 ;在有氧条件下铁碳微电极中的铁会发生吸氧腐蚀，反应过程为2Fe2++02+4H+— 2H20+Fe3+, 02+4H++4e — 2H20,02+2H20+4e — 4OH。由以上反应过程可知，铁碳微电极的电极反应会产生大量的Fe2+和Fe3+，其能够与磷酸根、硫酸根等无机离子发生反应，去除溶解性磷酸根、硫酸根等，还能还原部分有毒金属离子，达到解毒的作用，从而能够实现对污水的处理。基于铁碳微电极在污水处理过程中显现的优异性能，其在垃圾渗滤液处理、医药污水处理、印染污水处理、炸药污水处理和电镀污水处理中得到了较广泛地应用。如，郭鹏等采用铁碳微电极-H2O2法对垃圾渗滤液进行预处理，最终使得化学耗氧量(COD)和色度的去除率分别达到70%和90%以上，处理过的水的可生化性由O. 23增加到O. 68(郭鹏，黄理辉，黄宝玉，等.铁碳微电解-H2O2法预处理晚期垃圾渗滤液[J].水处理技术，2008，34(12) :57 60.)。杨家村利用铁碳微电解法对医药污水进行预处理，使得污水的生化需氧量与化学需氧量的比值(B0D5/C0D)明显提高，酸度显著下降，达到了污水二级排放标准(杨家村.铁碳微电解-生化法处理医药污水[J].环境卫生工程，2006，14 (3) :56 57.)。上述文献中报道的铁碳微电极为颗粒或粉末铁碳填料构成的铁碳微电极，这种铁碳微电极对污水的C0D、硝基苯类化合物、色度、重金属等具有较高的去除率，然而这种传统的颗粒或粉末铁碳填料微电解的方法无法达到同步除去污水中含氮污染物和含磷污染物的效果，且对氨氮的去除率较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铁碳微电极及污水的处理方法，本发明提供的铁碳微电极能够实现同步去除污水中含氮污染物和含磷污染物的效果，而且其对有机物、氨氮、溶解性磷酸盐具有较高的去除率。本发明提供一种铁碳微电极，包括铁基材和悬挂于所述铁基材上的碳纤维。优选的，所述碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维、酚醛树脂基碳纤维或浙青基碳纤维。优选的，所述碳纤维悬挂于所述铁基材上的悬空的长度为5cm 50cm。
优选的，所述铁基材的材质为纯铁或含铁合金；所述铁基材为铁管、铁棒、铁线、铁丝或铁片。优选的，所述碳纤维通过缠绕、绑系或夹持的方式悬挂于所述铁基材上。本发明提供一种污水的处理方法，包括以下步骤
a)将待处理的污水进行曝气，得到含有溶解氧的污水；b)将上述技术方案所述的铁碳微电极置于所述步骤a)得到的污水中进行污水处理。优选的，所述步骤b)前还包括步骤向所述步骤a)得到的污水中加入碳源；或用活性污泥对所述步骤a)得到的污水进行好氧预挂膜处理。优选的，所述步骤b)还可以为将上述技术方案所述的铁碳微电极安装于反应器中，得到铁碳微电极反应器；将所述铁碳微电极反应器静置于所述步骤a)得到的污水中进行污水处理。优选的，所述铁碳微电极在所述反应器中的填充率为15% 85%。优选的，所述进行污水处理的时间为10分钟 5个月。本发明提供了一种铁碳微电极，包括铁基材和悬挂于所述铁基材上的碳纤维。所述铁碳微电极可用于污水处理，具体为将待处理的污水进行曝气得到含有溶解氧的污水后，将所述铁碳微电极静置于所述含有溶解氧的污水中即可完成对污水的处理。在对污水进行处理的过程中，铁碳微电极产生微电解作用净化污水的同时，悬挂于所述铁基材上的碳纤维能够捕捉和吸附水体中的污浊物质与活性微生物形成碳纤维生物膜，与铁碳微电极的微电解共同对污染的水体起作用一方面，铁碳微电极的电解过程产生微电流、大量的铁离子、活性自由基、高吸附性铁化合物等活性物质，能够提高生物活性和有机物的可生化降解性，去除水中的磷酸根、硫酸根和金属离子等无机离子；另一方面，碳纤维具有高吸附性能和生物亲和性，其微孔结构和高吸附性尤其有利于世代周期较长的硝化菌的栖居繁殖和形成复杂的微生物膜系统，形成的微生物膜能够快速地去除水中的有机物、氨氮、总氮和总磷等，并且铁碳微电极电解产生的微电流和铁离子对碳纤维生物膜的功能具有促进作用，提高了其对污水的处理能力，从而实现了同步去除污水中含氮污染物和含磷污染物的目的，尤其对氨氮和溶解性磷酸盐具有较高的去除率。实验结果表明，本发明提供的铁碳微电极对污水中总氮的去除率可高于35%，总磷的去除率可高达100%，氨氮的去除率可达到98%，溶解性磷酸盐的去除率为高于90%，另外，本发明提供的铁碳微电极能够除去污水中的总有机碳，去除率可达60%。另外，本发明提供的铁碳微电极的碳纤维用量少，且能重复利用；铁基材的来源广泛，可利用废旧铁基材，价格低廉且处理成本低，从而降低了铁碳微电极的制备和使用成本。本发明可以将所述铁碳微电极直接置于待处理的污水中，也可以将其安装于反应器中后，将反应器置于待处理的污水中，因此能够根据待处理污水的种类选择放置方式，能够更加方便地实现对污水的处理，且在使用过程中所述铁碳微电极可随碳纤维的摆动脱落更新不易堵塞，使得维护和管理更加方便，从而降低了投资和运行的费用。
图I为本发明实施例提供的铁碳微电极的结构示意图；图2为本发明实施例提供的铁碳微电极反应器的截面图；图3为本发明实施例提供的铁碳微电极垂直安装于污水水体底泥上的截面示意图；图4为本发明实施例提供的铁碳微电极横向安装于污水水体底泥中的截面示意图；图5为本发明实施例提供的铁碳微电极位于污水水体中的俯视图。
具体实施例方式本发明提供了一种铁碳微电极，包括铁基材和悬挂于所述铁基材上的碳纤维。铁碳微电极是利用微电解的作用，处理污水的一种装置。铁碳微电极中的铁和碳之间存在着电位差，从而形成了无数个细微的原电池。这些原电池以电位低的铁作为阳极，电位高的碳作为阴极，阳极和阴极之间发生电化学反应，从而使铁受到腐蚀变成二价的铁离子进入溶液中。由于Fe2+有混凝作用，它与污染物中带微弱负电荷的微粒异性相吸，形成比较稳定的絮凝物，而将污染物去除；在曝气的情况下，铁会发生吸氧腐蚀，产生大量的三价铁离子，同时在阳极产生氢氧根离子，从而得到氢氧化铁胶体絮凝剂，其可以有效地吸附、凝聚水中的污染物，从而增强对污水的净化效果。本发明提供的铁碳微电极包括铁基材，在铁碳微电极中，以铁基材为阳极，其电化学反应为Fe_2e_ — Fe2+，产生的亚铁离子能够与磷酸根、硫酸根等无机离子发生反应，从而去除溶解性磷酸根、硫酸根等；所述亚铁离子还能还原部分有毒金属离子，达到解毒的作用；由于异性相吸的作用，它还能与污水中带微弱负电荷的污染物形成较稳定的絮凝物，从而去除带微弱负电的污染物。在曝气的情况下，铁碳微电极中铁基材中的铁会和氧气发生反应，发生吸氧腐蚀，其反应过程为 02+4H++4e_ — 2H20,02+2H20+4e_ — 40F, 2Fe2++02+4H. — 2H20+Fe3+，得到的 Fe3+能够水解生成聚合度大的氢氧化铁胶体絮凝剂，其可以有效地吸附、凝聚水中的污染物，从而增强了对污水的净化效果。本发明对所述铁基材的材质、形状等参数没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的铁即可。在本发明中，所述铁基材的材质可以为纯铁，也可以为含铁的合金；所述铁基材可以为铁管，也可以为铁棒，还可以为铁线、铁丝或铁片。本发明提供的铁碳微电极包括碳纤维，所述碳纤维悬挂于所述铁基材上。碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料，它具有优异的力学性能，耐疲劳性好，热碰撞系数小，耐腐蚀性好，本发明以碳纤维作为铁碳微电极的阴极，其良好的性能增强了铁碳微电极的微电解性能。铁碳微电极的阴极的反应方程式为2H+2e_ — 2 [H] — H2，其会产生大量的自由基，这种自由基具有较高的化学活性，能够改变污水中许多有机物的结构和特性，使有机物发生断链或开环等反应，从而实现对有机物的降解，达到去除有机污染物的目的。本发明对所述碳纤维的结构、长度、直径和形状等参数没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的碳纤维即可，在本发明中，所述碳纤维可以为聚丙烯腈基碳纤维，也可以为酚醛树脂基碳纤维，还可以为浙青基碳纤维；本发明所述碳纤维的直径优选为2μπι 15 μ m,更优选为5 μ m 10 μ m,所述碳纤维的比表面积优选为600cm2/g 2000cm2/g,更优选为SOOcmVg 1500cm2/g。本发明对悬挂于所述铁基材上的碳纤维的数量没有特殊的限制，可以根据铁基材的长度、直径等参数、待处理的污水的污染程度和污水的体积等，确定悬挂于所述铁基材上的碳纤维的数量，为了使所述碳纤维在所述铁基材上的均匀分布，并且使悬挂的碳纤维的数量能够得到较好的污水处理效果的铁碳微电极，在采用上述直径和比表面积的碳纤维和所述铁丝时，本发明对所述碳纤维与所述铁基材的质量做以下限定，所述碳纤维与所述铁基材的质量比优选为I : (I 10)，更优选为I : (2 5)。本发明所述聚丙烯腈基碳纤维、酚醛树脂基碳纤维或浙青基碳纤维为分别由聚丙烯腈纤维、酚醛树脂纤维或浙青纤维经碳化制得，本发明对所述碳纤维的制备方法没有特殊限制，采用本领域人员熟知的碳纤维制备的技术方案即可。本发明可以按照有机纤维碳化的方法制备碳纤维，也可以购买碳纤维的商品。在本发明提供的铁碳微电极中，所述碳纤维悬挂于所述铁基材上。本发明对所述悬挂的方式没有特殊的限制，可以通过缠绕的方式、也可以通过绑系的方式，还可以通过夹持的方式，将所述碳纤维悬挂于所述铁基材上；可以将每根碳纤维分别悬挂于所述铁基材上，也可以先将碳纤维集结成碳纤维束，然后将所述碳纤维束悬挂于所述铁基材上。在本发明提供的铁碳微电极中，所述碳纤维悬挂于所述铁基材上。在本发明中，悬挂在所述铁基材上的碳纤维能够在水体中模拟人工水草捕捉和吸附污浊物质与活性微生物，形成碳纤维生物膜，所述碳纤维生物膜能够去除水中的有机物、氨氮、总氮和总磷等 ’另夕卜，铁碳微电极的微电解作用产生的铁离子有助于提高碳纤维生物膜的絮凝作用和微生物的生理活性，从而进一步地提高了碳纤维生物膜对污水的处理效果；而且微电解过程产生的微电流有助于促进碳纤维生物膜中微生物细胞的分裂和酶的活性，能提高碳纤维生物膜中微生物的活性与代谢能力，从而增强了碳纤维生物膜膜对污水的处理能力，提高了其对污水中污染物的去除率；曝气产生的絮凝性极强的Fe (OH) 3会和碳纤维生物膜结合成一体，形成高效地吸附体系，从而能够较彻底地去除水体中悬浮行污染物。本发明对所述碳纤维悬挂于所述铁基材上悬空的长度没有特殊的限制，只要能够使悬空的碳纤维形成碳纤维生物膜即可。在本发明中，所述碳纤维悬挂于所述铁基材上悬空的长度优选为5cm 50cm，更优选为IOcm 40cm。参看图1，图I为本发明实施例提供的铁碳微电极的结构示意图。其中，I为铁基材，2为碳纤维，所述碳纤维2通过缠绕的方式悬挂于所述铁基材I上，且所述碳纤维2悬挂的长度约为IOcm 15cm。在本发明中，铁碳微电极上悬挂于所述铁基材上的碳纤维能够模拟人工水草捕捉和吸附污浊物质与活性微生物，形成碳纤维生物膜，所述碳纤维生物膜能够与铁碳微电极的微电解共同作用于污染水体。一方面，微电解产生大量的铁离子、活性自由基、高吸附性铁化合物等，提高了有机物的可生化降解性，能够去除水体中的磷酸根、硫酸根和金属离子等无机离子；另一方面，碳纤维生物膜能够去除水体中的有机物、氨氮、总氮和总磷等，从而实现了对污水中含氮污染物和含磷污染物的同步去除，尤其对氨氮和溶解性磷酸盐磷具有较高的去除率。本发明提供的铁碳微电极优选按照以下方法制备将碳纤维悬挂于铁基材上，得到铁碳微电极。、
本发明优选将上述技术方案所述的碳纤维剪成长度为20cm 40cm的碳纤维段，更优选为25cm 30cm ;将得到的碳纤维段悬挂于上述技术方案所述的铁基材上，得到铁碳微电极。本发明可以通过缠绕的方式，也可以通过绑系的方式，还可以通过夹持的方式，将所述碳纤维段悬挂于所述铁基材上，使所述碳纤维悬挂与所述铁基材上的悬空的长度优选为5cm 50cm,更优选为IOcm 40cm。本发明提供的铁碳微电极中的碳纤维悬挂于铁基材上，能够形成碳纤维生物膜，所述碳纤维生物膜与铁碳微电极的微电解共同对受污染的水体起作用，而且，铁碳微电极的电解作用还能够促进碳纤维生物膜性能的提高，从而能够实现对污水中含氮污染物和含 磷污染物的同步去除，并且其对污水中氨氮和溶解性磷酸盐具有较高的去除率。本发明提供一种污水的处理方法，包括以下步骤a)将待处理的污水进行曝气，得到含有溶解氧的污水；b)将上述技术方案所述的铁碳微电极置于所述步骤a)得到的污水中进行污水处理。本发明首先将待处理的污水进行曝气，得到含有溶解氧的污水，本发明对所述曝气的技术参数没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的曝气的技术方案即可。在本发明中，通过对待处理的污水进行曝气，使得所述污水中的溶解氧的浓度优选在lmg/L以上。为了促进碳纤维生物膜的形成，对于碳源贫乏的污水，在得到含有溶解氧的污水后，本发明优选向所述含有溶解氧的污水中加入外加碳源或用活性污泥对所述含有溶解氧的污水进行预挂膜处理，本发明对所述碳源的种类、预挂膜的技术方案没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的碳源、预挂膜的技术方案即可。得到含有溶解氧的污水后，本发明将上述技术方案所述的铁碳微电极置于所述含有溶解氧的污水中进行污水处理。本发明可以直接将上述技术方案得到的铁碳微电极置于所述含有溶解氧的污水中，也可以将所述铁碳微电极安装于反应器中，得到如图2所示的铁碳微电极反应器，将所述铁碳微电极反应器置于所述含有溶解氧的污水中，实现对污水的处理。参看图2，图2为本发明实施例提供的铁碳微电极反应器的截面图，其中I为出水堰，2为本发明提供的铁碳微电极，3为用于支撑所述铁碳微电极的支撑架，4为用于支撑所述支撑架的格栅托架，5为进水口，6为出水口，7为空气进口，8为排泥口；在所述铁碳微电极反应器中，所述铁碳微电极的填充率优选为15% 85%，更优选为20% 80%，最优选为 25% 70%。在本发明中，如图2所示，待处理的污水由进水口 5进入到铁碳微电极反应器中，通过空气进口 7向所述铁碳微电极反应器中通入空气，对其中的污水进行曝气处理，使得污水溶解氧的含量在lmg/L以上；完成曝气处理后，污水流经铁碳微电极3，然后经过出水堰I从出水口 6流出铁碳微电极反应器，得到处理后的污水。本发明在使用图2所示的铁碳微电极反应器处理污水的过程中，处理过程产生的泥通过排泥口 8排出反应器。排泥口 8排出的泥中含有大量的磷铁盐，本发明可以将所述磷铁盐进行收集，加以回收利用，实现污水处理废料的重复利用，增加了本发明提供的铁碳微电极处理污水方法的附加值。将本发明提供的铁碳微电极直接放置于待处理的污水中时，本发明对所述铁碳微电极在污水中的放置方式没有特殊的限制，可以采用如图3所示的方式，也可以采用图4所示的方式，还可以采用图3和图4所示方式的组合。参看图3，图3为本发明实施例提供的铁碳微电极垂直安装于污水水体底泥上的截面示意图，其中，I为水体的岸，所述水体可以为河、湖或池等，2为水面，3为水体底泥，所述水水体可以河、湖或池等，4为本发明提供的铁碳微电极。在图3所示的放置方式中，本发明提供的铁碳微电极中的铁基材直接插入污水水体的底泥中，实现铁碳微电极的固定。参看图4，图4为本发明实施例提供的铁碳微电极横向安装于污水水体底泥中的截面示意图，其中，I为水体的岸，所述水体可以为河、湖或池等，2为水面，3为铁碳微电极，4为支架，5为水体底泥，所述水体可以为河、湖或池等。在图4所示的放置方式中，本发明通过支架4将所述铁碳微电极3固定在污水水体的底泥中，实现对铁碳微电极的固定。
在本发明中，所述铁碳微电极在污水中放置好以后，其俯视结构可以如图5所示，图5为本发明实施例提供的铁碳微电极位于污水水体中的俯视图。其中，I为铁，2为碳纤维。本发明将所述铁碳微电极置于所述待处理污水进行污水处理。本发明对所述进行污水处理的时间没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的铁碳微电极进行污水处理所需的时间即可，在本发明中，所述进行污水处理的时间优选为10分钟 5个月。在所述进行污水处理的过程中，本发明提供的铁碳微电极中悬挂于所述铁基材上的碳纤维会捕捉和吸附污水中的污浊物质与活性微生物，形成碳纤维生物膜，所述碳纤维生物膜能够对水体中的有机物进行吸附、氨化、硝化或反硝化等生化反应，将有机物分解成小分子的有机物，实现对有机污染物的降解；将氨转换成硝基氮，所述硝基氮能够被微生物利用，或将氨转换成氮气被去除；同时，铁碳微电极的微电解作用产生大量的铁离子和自由基，自由基能够将水中的有机物分解成小分子的有机物，将溶解性磷酸盐与铁结合以磷铁盐的形式被去除。因此，本发明提供的铁碳微电极能够实现对水体中含氮污染物和含磷污染物的同步去除，而且对氨氮和溶解性磷酸盐具有较高的去除率。为了验证本发明提供的铁碳微电极对污水的处理效果，本发明优选以长宽高分别为30cm、30cm和40cm的玻璃缸模拟自然水体,如湖或池，向其中加入下水道污水和/或河水，将上述技术方案所述的铁碳微电极如图5所示的放置方式置于所述玻璃缸中，将所述玻璃缸中的水进行曝气处理，使其溶解氧的含量在lmg/L以上，将整个装置放置5天后，检测得到对总有机碳、总氮、总磷、氨氮、溶解性磷酸盐的去除率。实验结果表明，本发明提供的铁碳微电极对污水中总有机碳的去除率高于30%，对总氮的去除率可高于35%，对总磷的去除率可达90%，对氨氮的去除率可达到98%，对溶解性磷酸盐的去除率高于90%，这表明，本发明提供的铁碳微电极对污水具有较高的净化效果，可以同时除去污水中的含氮污染物和含磷污染物，尤其对氨氮和溶解性磷酸盐具有较高的去除率。本发明提供了一种铁碳微电极，包括铁基材和悬挂于所述铁基材上的碳纤维。所述铁碳微电极可以用于对污水的处理，具体为将本发明提供的铁碳微电极静置于曝气后的待处理的污水中进行污水处理。在对污水进行处理的过程中，铁碳微电极产生微电解作用净化污水的同时，悬挂于所述铁基材上的碳纤维能够捕捉和吸附污浊物质与活性微生物形成碳纤维生物膜，与铁碳微电极的微电解共同对污染的水体起作用一方面，铁碳微电极的微电解产生微电流、大量的铁离子、活性自由基、高吸附性铁化合物等，能够提高生物活性和有机物的可生化降解性，去除水中的磷酸根、硫酸根和金属离子等无机离子；另一方面，碳纤维具有高吸附性能和生物亲和性，其微孔结构和高吸附性尤其有利于世代周期较长的硝化菌的栖居繁殖和形成复杂的微生物膜系统，形成的碳纤维生物膜能够快速地去除水中的有机物、氨氮、总氮和总磷等，并且铁碳微电极电解产生的微电流和铁离子对碳纤维生物膜的功能具有促进作用，提高了其对污水的处理能力，从而实现了对污水中含氮污染物和含磷污染物的同步去除，尤其对有机物、氨氮和溶解性磷酸盐具有较高的去除率。另外，本发明提供的铁碳微电极中碳纤维的用量少且能重复利用，铁基材的来源广泛，可利用废旧铁基材，其价格低廉，降低了铁碳微电极的制造和使用成本；本发明提供的铁碳微电极不局限于反应器内对污水进行处理，可以直接将其放置于水体中，可以根据污染水体的类型进行放置方式的选择，能够更加方便地实现对污水的处理，而且在使用的过程中所述铁碳微电极不易堵塞，使得维护和管理更加方便，节省了投资和运行费用。同时，本发明提供的铁碳微电极将生物膜法和化学法处理相结合，能够稳定、有效地对水质进行改善，不会危害水体生物，对水体环境具有修复能力。为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的铁碳微电极及污水的处理方法进行详细描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。实施例I将比表面积为1000m2/g、直径为7 μ m的聚丙烯腈基碳纤维剪成长度约为25cm 30cm的小段纤维束，将5g所述聚丙烯腈基碳纤维束分别通过缠绕的方式使其悬挂于直径为5mm、质量为25g的铁丝上，所述碳纤维悬挂于所述铁丝上的悬空的长度约为10cm，得到如图I所示结构的铁碳微电极。并将其按照图5所示的安装方式，安装于图2所示的IOL的反应器中，铁碳微电极的填充率为75%，得到铁碳微电极反应器。取北京朝阳区立水桥段清河河水为处理对象，将所述铁碳微电极反应器置于其中，通过空气进口 7对其进行曝气，保持水体溶解氧的浓度为3mg/L 5mg/L，将铁碳微电极反应器在水里停留8小时，完成对污水的处理。实验结果表明，本实施例提供的铁碳微电极对北京朝阳区立水桥段清河河水中总有机碳的去除率为30 % 60 %，对总氮的去除率为15 % 30 %，对总磷的去除率为40 % 100%,对氨氮的去除率为60 % 90 %，对溶解性磷酸盐的去除率大于90 %，这表明，本发明提供的铁碳微电极能够同时去除污水中的含氮污染物和含磷污染物，且对氨氮和溶解性磷酸盐具有较高的去除率。比较例I将实施例I中的碳纤维单独置于实施例I所用的北京朝阳区立水桥段清河河水中，采用与实施例I相同的处理条件，完成对污水的处理。实验结果表明，单独的碳纤维形成的碳纤维生物膜对总有机碳的去除率为10% 35%，对溶解性磷酸盐的去除率小于10%，对水体中的有机污染物作用不明显，与实施例I的实验结果比较可以看出，本发明提供的铁碳微电极能够同时去除水体中的含氮污染物和含磷污染物，且对溶解性磷酸盐具有较高的去除率，同时增大有机污染物的可生物化性，提高了对有机物的去除率。实施例2
将5g实施例I中的碳纤维分别通过缠绕的方式使其悬挂于IOg的铁丝上，并使所述碳纤维的悬挂的长度约为15cm，得到如图I所示结构的铁碳微电极。如图4所示的放置方式，将所述铁碳微电极放置于长宽高分别为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浓度为50mg/L的高磷酸盐废水，使得玻璃缸中污水的磷酸盐中磷的浓度为5mg/L，用以模拟湖或池类污水水体。铁碳微电极在玻璃缸中呈上下交错双层布置，如图5所示，图5为本发明实施例提供的铁碳微电极位于污水水体中的俯视图。铁碳微电极对玻璃缸中的污水进行处理,具体过程为将玻璃缸曝气使其溶解氧的浓度在lmg/L以上，数小时铁开始腐蚀，五天后碳纤维表面形成稳定的生物膜，此时处理完成。实验结果表明，处理完成后，玻璃缸中水体的磷酸盐的浓度小于O. 5mg/L,即本实施例提供的铁碳微电极对水体中溶解性磷酸盐的去除率为95%，对氨氮的去除率为98%， 对总有机碳、总氮和总磷的去除率均高于35%，这表明，本发明提供的铁碳微电极能够同时去除水体中的含氮污染物和含磷污染物，并且对于有机物、氨氮和溶解性磷酸盐具有较高的去除率。实施例3将30g实施例I中所用的碳纤维通过缠绕的方式使其悬挂于30g的铁丝上，并使碳纤维悬挂于所述铁丝上的悬空的长度约为10cm，得到如图I所示的铁碳微电极。将得到的铁碳微电极安装于如图2所示的IOL反应器中，铁碳微电极的填充率约为80%，得到铁碳微电极反应器。将所述铁碳微电极反应器置于实施例I的清河河水与实施例2地下道污水的混合水体中，混合水体中的总有机碳、总氮和总磷的含量分别为15 18mg/L、21 25mg/L和2 3. 5mg/Lo将混合水体进行曝气，使其溶解氧的浓度为lmg/L 3mg/L,通过螺动泵连续进水，将混合水体在所述铁碳微电极反应器中停留12小时(HRT = 12h)后流出。反应数小时后，铁碳微电极表面发生微电解腐蚀，三天后形成稳定的碳纤维生物膜，连续运行30天后，完成对混合污水的处理。结果表明，在水力停留时间为12小时情况下，本实施例提供的铁碳微电极反应器对混合水体中总有机碳、总氮、氨氮、总磷的平均去除率分别为41%、37%、93%和96. 2%,这表明，本实施例提供的铁碳微电极能够同步除去污水中的含氮污染物和含磷污染物，且对有机物、氣氣和总憐具有较闻的去除率。比较例2将30g与实施例3所用的碳纤维长度、直径相同的醛化纤纶剪成长约25cm 30cm的小段纤维束，将其代替实施例3中的碳纤维，将得到的铁-醛化纤纶系统置于与实施例3相同的条件下，对实施例3中的混合水体进行污水处理，得到污水处理结果。结果表明，本比较例形成生物膜的时间比实施例3形成碳纤维生物膜的时间推迟一周，而且形成生物膜的生物量少，活性低；铁表面发生钝化现象不能发生微电解反应。本比较例提供的醛化纤纶-铁系统对混合水体中总有机碳、总氮、氨氮、总磷的去除率分别为15%、25%、78%和6. 2%，与实施例3的实验结果比较可知，碳纤维比常规软性填料醛化纤纶具有更优的生物膜处理效果，而且碳纤维与铁基材的组合能够使产生铁碳微电解反应，因此其具有更优的污水处理能力。
由以上实施例可知，本发明提供的铁碳微电极包括铁基材和悬挂于所述铁基材上的碳纤维，所述悬挂于所述铁基材上的碳纤维能够在水体中捕捉和吸附污浊物质与活性微生物，形成碳纤维生物膜，得到的碳纤维生物膜能够与铁碳微电极的微电解共同作用于污染的水体一方面，碳纤维具有高吸附性能和生物亲和性，其微孔结构和高吸附性尤其有利于世代周期较长的硝化菌的栖居繁殖和形成复杂的微生物膜系统，形成的碳纤维生物膜能够快速去除水中的有机物、氨氮、总氮和总磷等；另一方面，铁碳微电极的电解过程会产生微电流、大量的铁离子、活性自由基、高吸附性铁化合物等，这些物质能够提高生物活性和有机物的可生化降解性，去除水中的磷酸根、硫酸根和金属离子等无机离子。而且，铁碳微电极电解产生的微电流和铁离子还能够促进碳纤维生物膜的活性的提高，更进一步地促使其对污水进行处理，由于碳纤维生物膜和铁碳微电解过程的同时作用，使得本发明提供的铁碳微电极能够同时去除水体中的含氮污染物和含磷污染物，尤其对氨氮和溶解性磷酸盐具有较高的去除率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种铁碳微电极,包括铁基材和悬挂于所述铁基材上的碳纤维。
2.根据权利要求I所述的铁碳微电极，其特征在于，所述碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维、酚醛树脂基碳纤维或浙青基碳纤维。
3.根据权利要求I所述的铁碳微电极，其特征在于，所述碳纤维悬挂于所述铁基材上的悬空的长度为5cm 50cm。
4.根据权利要求I所述的铁碳微电极，其特征在于，所述铁基材的材质为纯铁或含铁合金； 所述铁基材为铁管、铁棒、铁线、铁丝或铁片。
5.根据权利要求I所述的铁碳微电极，其特征在于，所述碳纤维通过缠绕、绑系或夹持的方式悬挂于所述铁基材上。
6.一种污水的处理方法，包括以下步骤 a)将待处理的污水进行曝气，得到含有溶解氧的污水； b)将权利要求I 5任意一项所述的铁碳微电极置于所述步骤a)得到的污水中进行污水处理。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤b)前还包括步骤 向所述步骤a)得到的污水中加入碳源； 或用活性污泥对所述步骤a)得到的污水进行好氧预挂膜处理。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤b)还可以为 将权利要求I 5任意一项所述的铁碳微电极安装于反应器中，得到铁碳微电极反应器； 将所述铁碳微电极反应器静置于所述步骤a)得到的污水中进行污水处理。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述铁碳微电极在所述反应器中的填充率为15% 85%。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述进行污水处理的时间为10分钟 5个月。
全文摘要
本发明提供了一种铁碳微电极，包括铁基材和悬挂于所述铁基材上的碳纤维。本发明将所述铁碳微电极直接静置于曝气后的污水中即可完成对污水的处理。本发明提供的铁碳微电极的微电解作用能够产生微电流、铁离子、活性自由基和高吸附性铁化合物等，其能够提高生物活性和有机物的可生化降解性，去除磷酸根、硫酸根和金属离子等无机离子，达到净化污水的目的；同时，悬挂于所述铁基材上的碳纤维具有高吸附性能和生物亲和性，其有利于微生物的栖居繁殖和形成复杂的微生物膜系统，能够去除有机物、氨氮、总氮和总磷等。因此本发明提供的铁碳微电极能够实现对污水中含氮污染物和含磷污染物的同步去除，且具有较高的有机物、氨氮和溶解性磷酸盐的去除率。
文档编号C02F1/461GK102633320SQ20121007673
公开日2012年8月15日 申请日期2012年3月21日 优先权日2012年3月21日
发明者余建平, 余辉, 刘倩, 姚理为, 杜东, 杨凡, 燕姝雯, 牛勇, 王雪, 田学达, 胡洋 申请人:余辉, 姚理为