[发明专利]一种三维电化学反应器原位产生单线态氧对尿液灭活同步去除PPCPs的方法

说明书

本发明公开了一种三维电化学反应器原位产生单线态氧对尿液灭活同步去除药物及个人护理品(PPCPs)的方法，具体为首先将10⁶CFU mL^‑1大肠杆菌细菌和10mg/L PPCPs的尿液水样加入反应器中，然后向三维反应器中加入电解质硫酸钠，在室温及外加直流电场条件下对尿液水样进行电化学处理，每1L尿液水样对应加入50mmol硫酸钠；反应器的第三电极为氮和磷共参杂的活性炭颗粒，阴极为改性石墨毡电极，阴极为石墨毡电极，反应器中阴极和阳极的间距为3cm。本发明方法简单，通过在待处理尿液水样中加入硫酸钠形成三维电化学反应器原位产生单线态氧可以对尿液中的细菌进行充分灭活及对PPCPs进行同步高效氧化降解。

技术领域

本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种三维电化学反应器原位产生单线态氧对尿液灭活同步去除PPCPs的方法。

背景技术

尿液成分复杂，性质不稳定，盐类、营养元素(如N、P、K)及有机物的浓度高。同时尿液中存在多种微量污染物和致病微生物，传统污水处理方法难以有效去除，对人类和环境具有显著的潜在风险。病原性微生物和病毒的存在会使尿液成为一条病疫扩散的重要途径，因此尿液在排放之前需要进行灭活处理，以防止担忧感染的微生物随着废水扩散。尿液中的药物及个人护理品(PPCPs)种类繁多，虽然其在尿液中的浓度相对较低，但由于PPCPs难于生物降解，具有生物积累性和毒性，因此，尿液在排放之前需要进行PPCPS减排处理，以防止PPCPs随着尿液进入环境并通过生物链富集造成危害。

传统的电氧化过程是基于羟基自由基的高级氧化过程，如电激活过氧化氢(H₂O₂)产生强氧化性的羟基自由基(·OH)电催化降解污染物。虽然该反应能产生高氧化电位的·OH(2.80V vs.NHE)，但该方法反应条件较为严格(范围窄的最佳反应pH值)，原料H₂O₂储存运输困难。随着研究的不断深入，以过硫酸盐(Persulfate，PS)为氧化剂的高级氧化体系展现了良好的氧化效能，受到学者的广泛重视。通过激活过氧单硫酸盐(Peroxymonosulfate，PMS)或过二硫酸盐(Peroxydisulfate，PDS)生成高活性硫酸根自由基(SO₄^·-)催化氧化有机污染物，已被广泛应用于水中有机污染物的去除。过硫酸盐和过氧单硫酸盐进行适当的活化，以产生具有强氧化性的活性物质。通常活化的方法包括热激活、碱激活、辐射激活、激活剂(过渡金属离子、金属氧化物、混合金属氧化物和非金属碳基催化剂等)。如果该过程产生的活性物质主要是硫酸根自由基和羟基自由基，则该过程为自由基途径。

目前大部分的高级氧化技术集中于研究自由基途径，而忽视了非自由基途径对催化的贡献。与自由基途径类似，碱、CuO、碳纳米材料(如还原氧化石墨烯、碳纳米管、石墨纳米金刚石、生物炭等)、对苯醌等均可以激活PS通过非自由基途径降解污染物。在有的反应中，同时存在自由基途径和非自由基途径。有的反应，仅存在其中的一种。相较自由基途径，非自由基途径更加安全且抗干扰能力、特异性更强，具体表现如下：(1)自由基通常无选择降解污染物，因此自然水体中许多天然有机物也同时被降解，这不仅影响了水体本身的成分与功能，还可能引入新的污染物，破坏水生生态系统。而非自由基途径具有选择性，对富电子化合物(酚类、硫化物、有机胺类)具有很高的反应活性，因此与天然有机物反应速率很低，这有利于处理自然水体和痕量的有机污染物。(2)非自由基途径，几乎不受水中的阴离子影响。而自由基如羟基自由基和硫酸根自由基，更容易和水中的阴离子物质(特别是卤代芳烃)反应，降低催化反应的效果。(3)基于非自由基途径的催化反应较自由基途径更安全。自由基与卤素等反应生成有毒副产物。

金属氧化物如CuO，碳材料如CNTs和将Fe和S掺杂多壁碳纳米管(MWCNT)也能通过非自由基途径激活PMS和PDS，有效地降解了酚类化合物和某些药物。然而由于需要添加H₂O₂，PMS和PDS等氧化剂的投入增加了污水处理的成本，并且由于金属氧化物引入了金属离子，对水体进行了二次污染。

发明内容