一种基于光电催化降解的养殖废水梯级处理系统及方法

本发明涉及废水处理，具体涉及一种基于光电催化降解的养殖废水梯级处理系统及方法，尤其涉及一种光电催化降解和电容去离子技术相结合的养殖废水梯级处理系统及方法。

背景技术：

1、养殖废水中有机物(cod)浓度高达3000-12000mg/l，氨氮浓度高达800-3000mg/l，有机磷含量高达20-500mg/l，悬浮物(ss)超标数十倍，色度深，并含有大量的细菌，蛋白、多糖含量高。养殖废水中不仅包含大量植物生长所需要的氮、磷、钾等营养元素，也包含有钙、镁、硫、铁、铜、锰、锌等中量和微量元素。将养殖废水厌氧处理后加以利用，是养殖废水无害化处理的较好方法，但其液体产物沼液的还田利用又需要考虑到土地承载力，过度施用会导致农田土壤及水体污染，对于过多的养殖废水就需要进行深度处理才能达到一些地区的排放标准。深度处理的主要方法有混凝、电解、化学氧化、光电催化降解、电容去离子技术等。其中混凝是通过投加混凝剂使废水中难以自然沉淀的物质及细小的悬浮物聚集成较大的颗粒从而分离的过程，其最大的缺点在于混凝难以去除溶解性物质和微量有机物，同时混凝一般需要化学助剂。化学氧化法需要添加各种试剂使难降解的有机物转化为易降解有机物，或将有机物彻底氧化，由于化学试剂的加入，降解成本会因为污水量和污水浓度等因素大大增加。电解是在直流电的作用下降解污染物，但需要更好的催化性能支持，同时阴阳极的制备成本高，耗电量大。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术中对养殖污水处理效果不佳以及处理成本较高的缺陷，从而提出了一种基于光电催化降解的养殖废水梯级处理系统及方法。本发明首先通过固液分离装置除去养殖废水中的颗粒物质，然后将固液分离得到的废液送入以改性活性生物炭作为阴极，复合光催化剂作为阳极的光电催化分解装置中进行处理，以除去污水中的有机物，最后将经过光电催化降解的污水输送至电容性去离子装置中，进一步去除污水中的带电粒子，促进难降解养殖废水的深度处理及高标准排放。利用本发明处理养殖废水可以达到更高效、更环保、更节能的污水处理效果。

2、光电催化作为一种新型的化学处理技术，在除去有机污染物方面具有矿化率高，降解速率快等优点。电容性去离子(cdi)由于其环境友好、高能效和方便电极再生等优点，被认为是一种极具前景的从溶液中去除带电粒子的方法。

3、光电催化降解和电容去离子技术的关键核心在于活性生物炭的催化和富集性能。生物炭的孔隙结构是因其相应器件光电性能各异的主要原因，理想的光电催化生物炭材料要求有发达的孔隙结构和丰富的表面活性位点，同时要具有稳定的电化学性能。纳米缺陷态tio2在满足理想光电催化材料要求的同时，还有良好的耐光腐蚀性，因此，可广泛应用于环境处理以及光催化有机合成反应中。复合光催化剂bc-tio2阳极相对于传统tio2电极有高的比表面积及催化降解活性，能够更有效的去除污水中的有机物，例如烃类、酚类以及杂环化合物等。养殖废水中存在多种共存养分离子，相同电性的共存阳离子或阴离子会与目标养分离子之间发生竞争性电容吸附，抢占电容吸附活性位点，导致生物炭电极存在同离子效应和电容循环稳定性等问题，这些均限制了生物炭流动电极电容吸附技术处理养殖废水的工业化应用。生物炭一般具有丰富的孔隙结构和较高的比表面积，有良好的分子吸附功能，可将氮氧等元素吸附在微孔中，来提高其催化性能。相较于普通生物炭，杂原子掺杂后的生物炭空隙结构有明显改善，同时由于杂原子的引入，生物炭表面会出现更多活性位点，表面浸润性也会提高，在这些因素协同作用下，生物炭的催化和电容吸附性能会大大提高。理想的电容生物炭电极材料需要具备较大比表面积、合适孔径分布、高导电性、良好亲水性及稳定电化学性能，但通过一系列改性方法可以实现生物炭的性能调控，满足电容材料的需求。

4、本发明第一方面提出了一种基于光电催化降解的养殖废水梯级处理系统，该系统包括：固液分离装置、光电催化分解装置和电容性去离子装置；所述固液分离装置用于将养殖废水进行固液分离，得到固体废渣和废液；所述光电催化分解装置用于将固液分离装置中得到的废液进行光电催化降解，除去废液中的有机物，所述光电催化分解装置中阳极材料为复合光催化剂，阴极材料为改性活性生物炭，阳极用于在光电催化降解中对废液中的有机物进行催化降解，阴极用于在光电催化降解中提供活性位点；所述电容性去离子装置用于将从光电催化分解装置中排出的去除有机物的废液进行去除带电粒子处理。

5、本发明第二方面提出了一种基于光电催化降解的养殖废水梯级处理方法，该方法包括：

6、养殖废水在固液分离装置中进行固液分离，得到固体废渣和废液；

7、将废液输送至光电催化分解装置中，向所述光电催化分解装置施加光源，所述光电催化分解装置中阳极材料为复合光催化剂，阴极材料为改性活性生物炭，阳极用于在光电催化降解中对废液中的有机物进行催化降解，阴极用于在光电催化降解中提供活性位点；

8、将从光电催化分解装置中排出的去除有机物的废液输入电容性去离子装置中进行去除带电粒子处理，得到处理后的废水。

9、在本发明所述的一种基于光电催化降解的养殖废水梯级处理系统及方法中，至少具有以下有益效果：

10、(1)在本发明中，采用固液分离及光电催化分批处理的降解方式，实现了高cod、高污浊度的养殖废水的逐级分离，能够有效保证电解池中悬浮颗粒的数量较少，有效延长电极的使用寿命，提高电解池的光电催化降解能力，最后通过电容性去离子装置有效处理了光电催化后残留的带电粒子，在低成本的同时更一步净化水质，保证了养殖废水处理的效率和稳定性；

11、(2)在优选情况下，本发明使用经过氮硫共掺杂及氧引入制备得到的改性活性生物炭作为阴极材料，可以大大减少光电催化成本，同时提高对养殖废水中的有机物氧化降解的能力，实现了更高效节能的污水降解；

12、(3)在优选情况下，本发明使用溶胶-凝胶法制备的复合光催化材料bc-tio2作为光电催化降解的阳极，在孔隙结构良好的生物炭负载下，可以有效抑制光生电子-空穴对的复合，同时扩大光吸收范围，提高光吸收强度，大大提高光催化性能，从而达到更高效、更环保、更节能的污水处理效果；

13、(4)在优选情况下，将锌负载、氮硼共掺杂的活性生物炭作为电容性去离子装置中的极性材料，可以提高离子的去除效率，同时增加了稳定性，并且对于电容性去离子装置有更高的比电容量和优越的倍率性能；

14、(5)在优选情况下，利用摩擦角原理设置初步固液分离装置，同时结合多级过滤原理，不仅降低了养殖废水在逐级过滤过程中的压力，防止了固体残渣的堆积，同时提高了过滤过程中的效率，对于后面的光电降解及去离子处理提供了有利条件，实现了更高效、节能、稳定的污水降解。

技术特征：

1.一种基于光电催化降解的养殖废水梯级处理系统，其特征在于，该系统包括：固液分离装置(1)、光电催化分解装置(2)和电容性去离子装置(3)；

2.根据权利要求1所述的废水梯级处理系统，其特征在于，所述改性活性生物炭由生物活性炭通过氮硫共掺杂及氧引入的方式制备而成。

3.根据权利要求2所述的废水梯级处理系统，其特征在于，所述改性活性生物炭的制备方式为：

4.根据权利要求1或2所述的废水梯级处理系统，其特征在于，所述复合光催化剂为bc-tio2，bc-tio2的制备方法为：

5.根据权利要求1所述的废水梯级处理系统，其特征在于，所述固液分离装置(1)的顶部具有养殖废水进口，所述固液分离装置(1)的内部设有一级固液分离部件(4)和位于所述一级固液分离部件(4)下方的二级固液分离部件(5)，养殖废水进口位于一级固液分离部件(4)的正上方，从所述一级固液分离部件(4)过滤出的固体废渣的粒径大于从所述二级固液分离部件(5)过滤出的固体废渣的粒径；

6.根据权利要求5所述的废水梯级处理系统，其特征在于，所述一级固液分离部件(4)包括从上而下依次设置的多层筛网(7)，且各层筛网(7)的孔径由上层至下层逐渐减小，每层筛网(7)均形成倒v形结构，相邻两层筛网(7)之间间隔固定；固体废渣从各层筛网(7)的倒v形斜坡中引出，滤除固体废渣的养殖废水进入到二级固液分离部件(5)；

7.根据权利要求3所述的废水梯级处理系统，其特征在于，电容性去离子装置(3)包括电源、法拉第电极阴极(15)、法拉第电极阳极(16)、阳离子交换膜(17)和阴离子交换膜(18)；

8.根据权利要求7所述的废水梯级处理系统，其特征在于，所述锌负载、氮硼共掺杂的活性生物炭的制备方法如下：

9.根据权利要求5所述的废水梯级处理系统，其特征在于，所述第一连通管道(6)上设有第一分流阀(19)，第一分流阀(19)的第一接口与二级固液分离部件(5)的输出端连通，第一分流阀(19)的第二接口与光电催化分解装置(2)的输入端连通，泵(20)用于将第一分流阀(19)第二接口的液体抽入光电催化分解装置(2)，第一分流阀(19)的第三接口与第二分流阀(22)的第一接口连通，第二分流阀(22)的第二接口与光电催化分解装置(2)的输出端连通，第二分流阀(22)的第三接口与电容性去离子装置(3)的输入端连通；

10.一种基于光电催化降解的废水梯级处理方法，其特征在于，该方法包括：

技术总结本发明属于废水处理技术领域，具体涉及一种基于光电催化降解的养殖废水梯级处理系统及方法。该系统包括：固液分离装置、光电催化分解装置和电容性去离子装置；固液分离装置用于将养殖废水进行固液分离，得到固体废渣和废液；光电催化分解装置用于将废液进行光电催化降解，除去废液中的有机物，光电催化分解装置中阳极为复合光催化剂，阴极为改性活性生物炭，阳极用于在光电催化降解中对废液中的有机物进行催化降解，阴极用于在光电催化降解中提供活性位点；电容性去离子装置用于将从光电催化分解装置中排出的去除有机物的废液进行去除带电粒子处理。利用本发明所述系统可以对高污浊度的养殖废水进行逐级分离，实现更高效节能的污水降解。技术研发人员：牛文娟,余天赐,袁巧霞,艾平,刘念,冯耀泽,倪佳佳,孟子叶,李珂,吴思晴,李玉军受保护的技术使用者：华中农业大学技术研发日：技术公布日：2024/7/15