一种基于硫铁矿的生物电化学的锑酸盐去除装置及方法

本发明涉及水处理，具体的说是一种基于硫铁矿的生物电化学的锑酸盐去除装置及方法。

背景技术：

1、锑是一种剧毒重金属，无论高浓度的锑暴露或长期接触较低浓度的锑，均会严重威胁人体健康及微生物群落结构与多样性。虽然天然水体中的锑浓度较低，通常小于1μg/l，但锑矿的开采及应用产生了大量的锑矿废水，其不合理排放对环境生态造成了严重破坏。因此，研究水体中锑的去除既紧迫又必要。

2、环境中的锑主要以sb(iii)和sb(v)为主要种类。在有氧条件下，sb(v)主要以sb(oh)6-的形式存在。在缺氧环境中，以sb(oh)3形式存在的sb(iii)是主要物种。sb(iii)的毒性是sb(v)的10倍，sb(v)的溶解度和迁移性高于sb(iii)。虽然目前已有对sb(v)的去除的一些相关技术，如通过铁及其氢氧化物的吸附与共沉淀作用去除水中锑，或结合混凝沉淀和膜分离、电化学等其他物理化学方法去除水中锑。但物理化学法通常去除效果有限、操作成本高且易导致二次污染。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种基于硫铁矿的生物电化学的锑酸盐去除装置及方法，以改善相关技术中去除水中锑效果有限、操作成本高和二次污染的问题。

2、为了解决以上技术问题，本发明采用的具体方案为：一种基于硫铁矿的生物电化学的锑酸盐去除装置，包括反应器，反应器的顶部设有排水口，底部设有进水口，反应器的内腔中设有与电源相连的阳极和阴极，阳极呈环形并沿反应器内壁分布，阴极呈柱形并位于反应器内腔的中部，在反应器的内腔中还填装有硫铁矿微粒和硫自养微生物。

3、优选的，硫铁矿为黄铁矿、磁黄铁矿、马基诺矿、陨硫铁、硫复铁矿的其中之一或任意两种及以上的组合。

4、优选的，硫铁矿微粒的粒径为1-3mm。

5、优选的，阳极的材质与硫铁矿微粒的材质相同。

6、优选的，阳极与电源电连接的导线与硫铁矿微粒接触。

7、优选的，阴极的材质为石墨或碳纤维。

8、优选的，进水口设有避免硫铁矿微粒由反应器脱出的孔板。

9、一种基于硫铁矿的生物电化学的锑酸盐去除方法，将含锑酸盐的污水由上述的任一种基于硫铁矿的生物电化学的锑酸盐去除装置的进水口通入反应器中，水力停留时间为2-3h。

10、优选的，电源的电压不低于0.7v。

11、有益效果

12、本发明的反应器的腔体内壁设置有一环状阳极，腔体的中心位置设置有一柱状阴极，腔体内填充硫铁矿微粒并接种硫自养微生物。硫铁矿微粒与微生物完全混合并浸没阳极与阴极。其中，硫铁矿微粒形成阳极延伸区与阴极延伸区，硫铁矿微粒填充区域内存在一接触界面，阴极延伸区位于接触界面朝向阴极的内环方向，阳极延伸区位于接触界面朝向腔体内壁的外环方向。通过以上技术手段，阳极延伸区与阴极延伸区使每一硫铁矿微粒为电流导管实现电子传输，将阴极、阳极的电活性范围扩展到相邻的硫铁矿微粒，延伸了电极区域，增大生物电化学系统的电压输出和电子转移，促进硫铁矿的溶解以及系统内电活性微生物的生长于富集，增强所述微生物的活性，进而通过生物-非生物耦合作用强化水中锑酸盐的去除。

13、本发明采用的硫铁矿具有稳定的晶体结构，自身浸出速率较慢，从而影响了其还原sb(v)性能。而硫铁矿具有微弱的导电性，本发明通过外接电源线，可促进硫铁矿的浸出，从而提升sb(v)的还原和总锑的去除

14、此外，现有技术中通常通过硫单质作为电子供体，供微生物还原锑。而本发明中的电子供体硫铁矿是地壳中含量丰富，且主要以矿物加工厂废弃物形式存在的硫化铁矿物，故价格低廉易得。以硫铁矿为基质的微生物还原sb(v)的理论反应方程如公式(1)或(2)所示：

15、

16、由公式(1)得出，硫铁矿为基质时，每还原1摩尔锑酸盐sb(v)产生0.267摩尔硫酸盐，硫酸盐产量较单质硫为电子供体减少20％。同时，体系中可能存在公式(2)的反应过程，由此，使得微生物介导硫铁矿还原锑酸盐sb(v)过程硫酸盐产量将远低于单质硫的硫酸盐产量。进一步的，与氢自养还原过程相比，硫铁矿廉价易得，操作安全，且最终产物为fe-sb沉淀或sb2s3以及fe/sb/s络合物，性质更稳定，更有利于总锑的去除；与异养还原或硫酸盐异化还原过程相比，该过程避免了有机物投加易造成二次污染的风险，同时也降低了成本。另外，硫铁矿作为电子供体，能有效地控制出水中的ph，无需额外投加碱源的情况下即能够有效维持出水中ph稳定在7.2±0.2的中性状态，减少酸碱度对环境的影响。

17、优选实施方式中，阳极与反应器内填充的硫铁矿微粒为相同材质，一方面，能够减少阳极材料的高度节省成本；另一方面，可以有效减少电极与填充物之间的电子转移障碍，即减小欧姆电阻，从而使本发明具有更高的库伦效率，进而强化锑酸盐的去除。

18、优选的实施方式中，使电源连接阳极的导线直接与硫铁矿微粒接触，微粒间互相连通，使得每个微粒上均有电流通过，从而在硫铁矿厌氧氧化界面产生生物电化学行为，加速硫铁矿的释放fe2+和sn2-，进而为sb(v)还原为sb(iii)提供电子供体，生成的产物与sb(iii)络合沉淀，促进总锑的去除。而传统的电化学技术需要连接电极板，普通的电极板易被消耗，且产生二次污染，如铁电极板，会产生大量的fe3+，造成出水浑浊；而镀稀有贵金属电极板造价贵，增加运行成本。

技术特征：

1.一种基于硫铁矿的生物电化学的锑酸盐去除装置，其特征在于：包括反应器(4)，反应器(4)的顶部设有排水口(8)，底部设有进水口(3)，反应器(4)的内腔中设有与电源(9)相连的阳极(7)和阴极(5)，阳极(7)呈环形并沿反应器(4)内壁分布，阴极(5)呈柱形并位于反应器(4)内腔的中部，在反应器(4)的内腔中还填装有硫铁矿微粒(6)和硫自养微生物。

2.如权利要求1所述的一种基于硫铁矿的生物电化学的锑酸盐去除装置，其特征在于：硫铁矿为黄铁矿、磁黄铁矿、马基诺矿、陨硫铁、硫复铁矿的其中之一或任意两种及以上的组合。

3.如权利要求1所述的一种基于硫铁矿的生物电化学的锑酸盐去除装置，其特征在于：硫铁矿微粒(6)的粒径为1-3mm。

4.如权利要求1所述的一种基于硫铁矿的生物电化学的锑酸盐去除装置，其特征在于：阳极(7)的材质与硫铁矿微粒(6)的材质相同。

5.如权利要求1所述的一种基于硫铁矿的生物电化学的锑酸盐去除装置，其特征在于：阳极(7)与电源(9)电连接的导线与硫铁矿微粒(6)接触。

6.如权利要求1所述的一种基于硫铁矿的生物电化学的锑酸盐去除装置，其特征在于：阴极(5)的材质为石墨或碳纤维。

7.如权利要求1所述的一种基于硫铁矿的生物电化学的锑酸盐去除装置，其特征在于：进水口(3)设有避免硫铁矿微粒(6)由反应器(4)脱出的孔板。

8.一种基于硫铁矿的生物电化学的锑酸盐去除方法，其特征在于：将含锑酸盐的污水由权利要求1-7所述的任一种基于硫铁矿的生物电化学的锑酸盐去除装置的进水口(3)通入反应器(4)中，水力停留时间为2-3h。

9.如权利要求8所述的一种基于硫铁矿的生物电化学的锑酸盐去除方法，其特征在于：电源(9)的电压不低于0.7v。

技术总结一种基于硫铁矿的生物电化学的锑酸盐去除装置及方法，锑酸盐去除装置，包括反应器，反应器的顶部设有排水口，底部设有进水口，反应器的内腔中设有与电源相连的阳极和阴极，阳极呈环形并沿反应器内壁分布，阴极呈柱形并位于反应器内腔的中部，在反应器的内腔中还填装有硫铁矿微粒和硫自养微生物。本发明用于改善相关技术中去除水中锑效果有限、操作成本高和二次污染的问题。技术研发人员：何巧冲,谢进,万东锦,沈云鹏,李晴晴,吴朕君,史亚慧受保护的技术使用者：河南工业大学技术研发日：技术公布日：2024/11/18