CN114604943B - 阴极电芬顿耦合阳极氧化的废水处理装置及废水处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阴极电芬顿耦合阳极氧化的废水处理装置和废水处理方法，废水处理装置包括反应容器、电极单元和直流电源单元，电极单元中的各个电极分别与直流电源单元电连接，其中电极单元包括空气扩散阴极和活性阳极；空气扩散阴极包括第一碳毡基体和分别一体设置于第一碳毡基体两侧的空气扩散层和催化层，空气扩散阴极密封嵌入连接在反应容器的侧壁上，且空气扩散层设置于反应容器的外侧，催化层设置于反应容器的内侧，活性阳极与空气扩散阴极相互间隔地平行设置，且活性阳极设置于空气扩散阴极的催化层的一侧。本发明提供的废水处理装置和废水处理方法，能够实现不需添加任何化学药剂就可达到有机废水高效降解的目的。

Description

阴极电芬顿耦合阳极氧化的废水处理装置及废水处理方法

技术领域

本发明涉及水处理技术领域，尤其涉及一种阴极电芬顿耦合阳极氧化的废水处理装置和一种废水处理方法。

背景技术

高级氧化技术是一种在常温常压下通过在水溶液中产生一定数量具有强氧化性自由基用于污水净化的过程。在众多高级氧化技术中，电芬顿由于其绿色高效的特点受到了广泛关注，其核心在于过氧化氢在阴极表面的原位电合成，随后被外部投加的Fe²⁺催化分解为羟基自由基。与传统芬顿过程相比，电芬顿技术有效避免了与过氧化氢运输和储存相关的高成本和高风险问题，是一种高度分布式和去中心化且极具应用前景的处理含难降解有机污染物废水的技术。

针对电芬顿技术的研究已超过三十余年，包括工作阴极复杂改性、反应器设计或外部助催化剂介入等众多策略被研究人员尝试以提高过程效率，然而大多现有技术中主要关注于实验室规模的电极材料制备或技术改进，对该过程的实际应用或工程放大仍缺乏有效的实践及尝试。尤其当前的电芬顿装置在操作过程中通常需要通过外部曝气的方式引入外部氧源在阴极生成过氧化氢，同时需要添加化学药剂（铁离子）来活化过氧化氢处理污水；而且现有电芬顿过程的废水处理效率仍有较大提升空间。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种阴极电芬顿耦合阳极氧化的废水处理装置和一种基于该废水处理装置的废水处理方法，能够实现不需添加任何化学药剂就可达到有机废水高效降解的目的。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明公开了一种阴极电芬顿耦合阳极氧化的废水处理装置，包括反应容器、电极单元和直流电源单元，所述电极单元中的各个电极分别与所述直流电源单元电连接，其中所述电极单元包括空气扩散阴极和活性阳极；所述空气扩散阴极包括第一碳毡基体和分别一体设置于所述第一碳毡基体两侧的空气扩散层和催化层，所述空气扩散阴极密封嵌入连接在所述反应容器的侧壁上，且所述空气扩散层设置于所述反应容器的外侧，所述催化层设置于所述反应容器的内侧，所述活性阳极与所述空气扩散阴极相互间隔地平行设置，且所述活性阳极设置于所述空气扩散阴极的所述催化层的一侧。

优选地，所述电极单元还包括至少一个催化阴极，所述空气扩散阴极的数量为一个，所述活性阳极的数量与所述空气扩散阴极和所述催化阴极的数量之和相等，其中，各个所述活性阳极和各个所述催化阴极分别依次相互间隔地平行设置于所述空气扩散阴极的所述催化层的一侧。

优选地，所述空气扩散阴极通过带螺纹的不锈钢圆环与弹性垫圈采用旋进的方式密封嵌入连接在所述反应容器的侧壁上。

优选地，所述空气扩散层是通过将煅烧后的所述第一碳毡基体浸泡在疏水***联剂溶液中形成的，所述催化层是通过在所述第一碳毡基体的一侧涂覆炭黑形成的。

进一步地，疏水***联剂溶液采用聚四氟乙烯溶液。

更进一步地，所述空气扩散阴极的第一碳毡基体采用石墨毡。

优选地，所述催化阴极包括第二碳毡基体，且在所述第二碳毡基体上支撑设置有铁催化剂。

进一步地，所述铁催化剂包括氧基氯化铁、氧化铁、四氧化三铁、羟基氧化铁、纳米零价铁中的至少一种。

更进一步地，所述第二碳毡基体采用石墨毡。

优选地，所述催化阴极是通过将煅烧后的所述第二碳毡基体浸泡于铁盐溶液中，并取出烘干后煅烧形成的。

优选地，所述活性阳极采用片式多孔膜电极材料制成。

进一步地，所述活性阳极采用片式Ti₄O₇多孔膜材料或者片式掺硼金刚石多孔膜材料。

优选地，所述废水处理装置还包括水循环单元，所述水循环单元包括储液罐、进水管、出水管和蠕动泵，所述进水管的两端分别连通所述储液罐和所述反应容器，所述出水管的两端分别连通所述储液罐和所述反应容器，所述蠕动泵连接设置于所述进水管和/或所述出水管。

本发明还公开了一种上述的废水处理装置的废水处理方法，采用以下步骤对待处理废水进行处理：将待处理废水加入到所述反应容器中，启动所述直流电源单元以控制所述电极单元的电流，处理预定时间后完成废水处理。

优选地，控制所述电极单元中的空气扩散阴极的电流为15~100mA/cm²。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提供的阴极电芬顿耦合阳极氧化的废水处理装置，能够直接利用空气中氧气的阴极电芬顿耦合活性阳极氧化以进行电化学反应，采用空气扩散阴极产生过氧化氢，耦合活性阳极产生羟基自由基，实现不需添加任何化学药剂就可达到有机废水高效降解的目的，同时也有效避免了因添加化学药剂带来的二次污染及处置成本问题。另外，该废水处理装置的体积小、占地面积小、操作简便。

在进一步的方案中，本发明还具有以下有益效果：

本发明提供的阴极电芬顿耦合阳极氧化的废水处理装置中，还包括至少一个催化阴极，催化阴极可以活化过氧化氢为羟基自由基，耦合活性阳极产生额外的羟基自由基，最终实现有机废水高效降解的目的。而且催化阴极对双氧水的表面为非均相催化控制过程，因此该废水处理装置对进料液的初始pH不敏感，进一步在处理待处理废水时也不需调节其pH值，有效地拓宽了电化学高级氧化技术的应用范围。

该***中利用的电极基底均为商业可得的工程材料，成本低廉且在真实苛刻反应条件下服役寿命长，使得该***具有工程放大潜力。

本发明提供的阴极电芬顿耦合阳极氧化的废水处理装置，具有典型的模块化特征，可根据实际水体性质和处理需求合理的增加/减少电极对模组，操作便捷且灵活，易于工程化放大。

本发明提供的阴极电芬顿耦合阳极氧化的废水处理装置还设置有水循环单元，可连续流工作，面向真实水体能够高效降解有机污染物且不残余双氧水等电化学中间产物，绿色环保且能耗较低。

附图说明

图1为本发明优选实施例的阴极电芬顿耦合阳极氧化的废水处理装置的结构示意图；

图2为本发明具体实施例中废水处理装置中空气扩散阴极的生产过氧化氢性能图；

图3为发明具体实施例中废水处理装置空气扩散阴极的生产过氧化氢电流效率图；

图4为发明具体实施例中废水处理装置不同电极对数去除甲基橙的效能图；

图5为发明具体实施例中废水处理装置多对电极（一空气扩散阴极+多催化阴极）在不同pH下去除甲基橙的效能图。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于电路/信号连通作用。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

发明人通过研究发现，当前在实现电芬顿技术的规模化应用中仍面临如下亟待解决的关键问题：首先，大部分电芬顿装置在操作过程中需要通过外部曝气的方式引入外部氧源在阴极生成过氧化氢，同时需要添加化学药剂（铁离子）来活化过氧化氢处理污水，这在工业规模放大时不仅增加操作复杂度不利于自动化装备的研发，还有可能带来铁泥等二次污染风险及衍生的额外处置成本；另外，现有电芬顿过程的废水处理效率仍有较大提升空间，因为大多研究和应用一般聚焦于阴极过程而往往忽视了阳极的贡献，这对电能造成了严重的浪费。综上，从过程耦合强化角度出发，开发基于工程电极材料的一体式电芬顿耦合阳极氧化并实现无需任何外部化学药剂投加及曝气设备的电催化污水净化装置十分有必要。

本发明优选实施例提供一种能够直接利用空气中氧气的阴极电芬顿耦合阳极氧化电化学反应***及配套连续流设备，采用空气扩散阴极产生过氧化氢，铁催化剂集成石墨毡（催化阴极）活化过氧化氢为羟基自由基，亚氧化钛Ti₄O₇陶瓷电极（活性阳极）产生额外的羟基自由基，最终实现有机废水高效降解的目的。

如图1所示，本发明优选实施例公开的阴极电芬顿耦合阳极氧化的废水处理装置，包括反应容器10、电极单元20和直流电源单元30，电极单元20中的各个电极分别与直流电流单元30电连接，其中，电极单元20包括一个空气扩散阴极21、三个催化阴极22和四个活性阳极23；空气扩散阴极21包括第一碳毡基体和分别一体设置于第一碳毡基体两侧的空气扩散层和催化层，空气扩散阴极21密封嵌入连接在反应容器10的侧壁上，且空气扩散层设置于反应容器10的外侧，催化层设置于反应容器10的内侧，多个活性阳极23和多个催化阴极22分别依次相互间隔地并列设置于空气扩散阴极21的催化层的一侧。

具体地，空气扩散阴极21通过带螺纹的不锈钢圆环与弹性垫圈采用旋进的方式密封嵌入连接在反应容器10的侧壁上，使得空气扩散阴极21的空气扩散层的一侧面向空气，催化层的一侧面向反应容器10内盛装的电解液，并通过不锈钢与直流电源单元30中的负极相连。电极单元20按照空气扩散阴极21-活性阳极23-催化阴极22-活性阳极23-催化阴极22-活性阳极23-催化阴极22-活性阳极23这样阴极阳极相互间隔的形式呈平行排列，间距控制为1cm，分别与直流电源单元30中多个独立的直流电源31相连。

本实施例中的空气扩散阴极21的制备过程如下：石墨毡（第一碳毡基体）首先经400℃煅烧去除杂质，于聚四氟乙烯溶液（也可以采用其他的疏水***联剂溶液）中浸泡疏水化处理后作为空气扩散层，随后在另一侧涂覆炭黑作为催化层，经煅烧后可制得空气扩散阴极21。本实施例中的催化阴极22包括第二碳毡基体，且在第二碳毡基体上支撑设置有铁催化剂，其中，铁催化剂包括氧基氯化铁、氧化铁、四氧化三铁、羟基氧化铁、纳米零价铁中的至少一种；具体地，催化阴极22的制备过程如下：经400℃煅烧后的石墨毡（第二碳毡基体），首先浸泡于氯化铁的酒精溶液中，随后取出烘干并在220℃下煅烧；该催化阴极22起到将反应器中由空气阴极生产过氧化氢活化为羟基自由基的作用，其中该催化阴极22中的活性组分经分析为氧基氯化铁和氧化铁的复合物，在一些其他的实施例中，催化阴极22同样可以采用石墨毡支撑的四氧化三铁、羟基氧化铁、纳米零价铁中的至少一种。本实施例中的活性阳极23采用片式Ti₄O₇多孔膜材料，可在合适电位条件下将水转化为羟基自由基协同氧化污染物；在其他实施例中，活性阳极23也可以采用片式掺硼金刚石（BDD）多孔膜材料。

进一步地，该废水处理装置还包括水循环单元40，水循环单元40包括储液罐41、进水管42、出水管43和蠕动泵44，进水管42的两端分别连通储液罐41和反应容器10，出水管43的两端分别连通储液罐41和反应容器10，蠕动泵44连接设置于进水管42和/或出水管43，在本实施例中，仅在进水管42上设有蠕动泵44。通过设置水循环单元40可以使得该废水处理装置的反应器操作模式为连续流，通过蠕动泵44控制进水流速和进水量，可实现污染物的连续降解处理。

其中，反应容器10采用有机玻璃材料制成的槽体，可以为长方体，例如长9.2cm、宽6.6cm、高6.6cm的长方槽体。

本发明实施例提供的废水处理装置具有典型的模块化特征，除空气扩散阴极21不可变外，其余由一个活性阳极或者多个重复的电极对组成；可根据不同实际废水的性质灵活调整***配置和自由选择电极对数。而且该反应装置便于安装操作，集成化及自动化程度均较高，方便进行装备放大。

本发明实施例中将空气扩散阴极、催化阴极和Ti₄O₇活性阳极集成在一体式的电催化装备中，实现了无任何外部化学药剂投加和外部曝气的有机物高效去除过程。

本发明的另一优选实施例还公开了一种基于上述废水处理装置的废水处理方法，仅需要执行以下步骤：将待处理废水加入到反应容器10中，启动直流电源单元30以控制电极单元20的电流，处理预定时间后即可完成废水处理。其中的控制电极单元20中的每个电极的电流可以为15~100mA/cm²；预定时间可以为10~60min。

由于本实施例中的废水处理装置中的催化阴极22对双氧水的表面非均相催化控制过程，因此该废水处理装置对进料液初始pH不敏感，进一步在处理待处理废水时也不需调节其pH值，有效地拓宽了电化学高级氧化技术的应用范围。而且，该装置无需部署用于引入氧源的外部装备，可直接利用空气中的氧气在外加电流的作用下原位生产过氧化氢，电流效率高，仅需较小电流密度即可产生较高浓度过氧化氢。反应***在运行过程中无任何外部化学药剂投加过程，操作简便，安全系数高。

下述结合具体实施例对本发明优选实施例提供的阴极电芬顿耦合阳极氧化的废水处理装置及废水处理方法进行说明。

本发明具体实施例提出了一种用于有机废水处理的一体式多电极电芬顿与阳极氧化集成装置。参考图1，处理装置包括直径为3cm的空气扩散阴极21、直径为3cm的活性阳极23、直径为3cm的催化阴极22、400ml的反应容器10、1000ml的储液罐41、蠕动泵44和多台直流电源31。

空气扩散阴极21通过带螺纹的不锈钢圆环与垫圈采用旋进的方式固定在反应容器10的反应器槽体结构中，这一方面满足了空气扩散阴极21一侧面向空气一侧面向电解液的结构配置要求，同时这种模块化特性便于实际应用过程中的电极材料及装备清洗过程。反应容器10的反应槽体配备可拆卸的顶端盖板11，居中排列了7个直径为0.6cm的圆孔111，各催化阴极22与活性阳极23通过电极夹具固定在该顶端盖板11的圆孔111中。此外在顶端盖板11中线的侧边还配备一个直径0.6cm的圆孔，起到及时排出反应装置内气体，平衡气压的作用。

蠕动泵44布置在储液罐41和反应容器10之间，有机废水通过该蠕动泵44从储液罐41流进反应容器10的反应器主体结构，并在完全浸没各反应电极后由出水口流出，反应过程中可根据不同的处置要求通过蠕动泵44调控液体的流速控制污染物的水力停留时间。

过氧化氢的生成量可通过设置外加电流密度进行调节。同时催化阴极22可将过氧化氢活化为羟基自由基，活化速率也可通过设置外加电流进行控制。活性阳极23为片式Ti₄O₇，可在一定电位下将水分子活化为羟基自由基协同氧化污染物。更重要的是，该活性阳极23表现出对电芬顿过程中产生的一些小分子羧酸类有机物更高的反应速率，可提高整个过程的矿化速率。

在本发明中，过氧化氢生成、过氧化氢活化、污染物去除均在常温常压下进行，安全系数高。因此基于该废水处理装置的废水处理方法对于污染水体的适用pH范围广，且去除速率可由外加电源施加的电流大小、电极对数和水力停留时间灵活调整。

下述采用实际实施例对于该阴极电芬顿耦合阳极氧化的废水处理装置的废水处理能力进行检测和说明。

实施例1：

以50mM的硫酸钠为支撑电解液，在外部电源对空气扩散阴极施加15mA/cm²、25mA/cm²、35mA/cm²、45mA/cm²、100mA/cm²时的恒定电流时，反应装置内的过氧化氢浓度与时间呈线性关系，且过氧化氢积累浓度与电流密度呈正相关关系。电流密度越大，过氧化氢积累浓度就越大。具体地，当电流密度由15mA/cm²增加至100mA/cm²时反应1小时后***中过氧化氢积累浓度可由218.6mg/L迅速提升至1261.9mg/L（图2）。同时还给出了不同电流密度下该空气扩散阴极生产过氧化氢对应的电流效率（图3），可观察到随电流密度的增加，电流效率呈现略微下降趋势，但即便在电流密度为100mA/cm²时，电流效率仍保持在较高水平，1小时内均高于83%；而在低电流密度下体系的电流效率甚至可保持在接近100%的水平，表明该空气扩散阴极在生产过氧化氢时副反应极少。

实施例2：

参考图4，本实施例考察了不同电极对数对目标污染物（20mg/L的甲基橙溶液）的去除效能。一对电极指的是仅利用空气扩散阴极和对应的活性阳极，而多对电极指的是一空气扩散阴极+至少一个催化阴极和对应的活性阳极的配置。未通电时，体系中的电极对甲基橙具有一定的吸附能力，且随着电极对数的增加甲基橙被吸附的量逐渐升高，但均在20min后趋于稳定值，四对电极对甲基橙的吸附值约为50%。通电后，即便一对电极的情形下体系（电极单元中仅设有一个空气扩散阴极和对应的一个活性阳极）中甲基橙的浓度也迅速降低，表明Ti₄O₇阳极优异的电氧化降解性能，这完全区分于现有技术中仅利用阴极侧贡献的***。

当部署催化阴极后，由于双氧水活化产生的自由基迅速提高导致***中甲基橙的降解同步提高，且随着电极对数由二对增加至四对，该***对甲基橙的降解速率进一步明显加快，特别地，当电极对数增至四对后仅需30分钟便可几乎完全去除甲基橙，展现了极强的氧化能力；从动力学角度来看，四对电极的降解速率可以超出一对电极两倍以上。这是因为电极对数的增加会进一步加速双氧水的活化，使得体系中双氧水的利用率同步提高，不仅实现了出水污染物的完全去除还消除了残余双氧水对水环境潜在的不利影响。另外该***中催化阴极均在0.4mA/cm²的极低电流密度下工作（在其他实施例中，催化阴极还可在小于0.4mA/cm²的极低电流密度下工作），保证了较低的能耗。

实施例3：

参考图5，本实施例考察了该废水处理装置对处理废水酸碱度的普适性。当采用四对电极（一空气扩散阴极+三催化阴极）时，该***对溶液初始pH值为4、5、6、7的甲基橙溶液均保持较好的处理效果。在pH小于5的条件下，经该***1h的处理后可完全去除甲基橙污染物。当pH大于5后依然能够降解接近90%的甲基橙，通电后，表明该***可抗溶液pH干扰，不仅突破了传统电芬顿过程对处理溶液强酸性的限制，还有效避免了铁泥类二次污染的产生及其带来的额外处置成本。

基于上述具体实施例，本发明优选实施例提供的阴极电芬顿耦合阳极氧化的废水处理装置及废水处理方法具有以下优点：

（1）反应器体积小、占地面积小、操作简便，所需控制的主要因素仅包含电流大小、电极对数和水力停留时间，易于控制。

（2）空气扩散阴极能够直接利用空气中的氧气为氧源原位生产过氧化氢，有效避免了现有大多电芬顿过程中外部曝氧设备的必要性及其带来的一系列额外成本及操作风险问题。

（3）空气扩散阴极的过氧化氢产量仅受电极面积控制，其随电流密度几乎成比例增加，不受氧气扩散速率控制。能够在较小的电流密度下（5mA/cm²）产生较高浓度（77.7mg/(L·h))的过氧化氢，电流效率接近100%，几乎无副反应。在较高电流密度下（100mA/cm²），电流效率也保持在83%以上。

（4）催化阴极的使用使得过氧化氢在原位生成后，能够直接将其活化成羟基自由基，实现了在无外部投加铁催化剂条件下对污染物的高效氧化，有效避免了因铁泥带来的二次污染及处置成本问题。

（5）采用Ti₄O₇活性阳极可在一定电位下将水活化成羟基自由基，协同阴极电芬顿过程加速有机污染物的矿化。

（6）上述所有电极材料均商业可得，成本较低，且耐化学腐蚀性能佳，可在真实复杂水体中长周期稳定运行。

（7）该反应器对于污染物去除效率较高，采用两对电极及以上基本可在30min内可去除90%以上的污染物。

（8）反应器除空气阴极外，由可进行拆卸的电极对组成，电极对数可根据实际需处理水样的情况进行选择。

（9）反应器内溶液的pH范围较广，可在酸性及中性条件下进行污染物的有效去除。

（10）反应器内过氧化氢的产生和催化均在常温常压下操作，安全系数较大。

（11）本反应装置结构简单，可以根据需处理水量进行放大，以适应污水量较大的需求。

（12）该反应装置可处理不同水体，可用于消毒灭菌、防疫控制、废水处理和饮用水处理，也可以与其他方法相耦合，增强整个体系的处理效果。

本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不是由其他人描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。

Claims (11)

1.一种阴极电芬顿耦合阳极氧化的废水处理装置，其特征在于，包括反应容器、电极单元和直流电源单元，所述电极单元中的各个电极分别与所述直流电源单元电连接，

其中所述电极单元包括空气扩散阴极、活性阳极和催化阴极，所述空气扩散阴极的数量为一个，所述活性阳极的数量至少为四个，所述活性阳极的数量与所述空气扩散阴极和所述催化阴极的数量之和相等，

所述空气扩散阴极包括第一碳毡基体和分别一体设置于所述第一碳毡基体两侧的空气扩散层和催化层，所述空气扩散阴极密封嵌入连接在所述反应容器的侧壁上，且所述空气扩散层设置于所述反应容器的外侧，所述催化层设置于所述反应容器的内侧，所述催化阴极包括第二碳毡基体，且在所述第二碳毡基体上支撑设置有铁催化剂；所述活性阳极采用片式Ti₄O₇多孔膜材料或者片式掺硼金刚石多孔膜材料；

其中，各个所述活性阳极和各个所述催化阴极分别依次相互间隔地平行设置于所述空气扩散阴极的所述催化层的一侧，其中，所述废水处理装置具有模块化特征，所述电极单元中除所述空气扩散阴极外，所述活性阳极和所述催化阴极均可进行拆卸，以使得所述活性阳极和所述催化阴极的数量能够根据所需处理水样的情况进行选择。

2.根据权利要求1所述的废水处理装置，其特征在于，所述空气扩散阴极通过带螺纹的不锈钢圆环与弹性垫圈采用旋进的方式密封嵌入连接在所述反应容器的侧壁上。

3.根据权利要求1所述的废水处理装置，其特征在于，所述空气扩散层是通过将煅烧后的所述第一碳毡基体浸泡在疏水***联剂溶液中形成的，所述催化层是通过在所述第一碳毡基体的一侧涂覆炭黑形成的。

4.根据权利要求3所述的废水处理装置，其特征在于，疏水***联剂溶液采用聚四氟乙烯溶液。

5.根据权利要求3所述的废水处理装置，其特征在于，所述第一碳毡基体采用石墨毡。

6.根据权利要求1所述的废水处理装置，其特征在于，所述铁催化剂包括氧基氯化铁、氧化铁、四氧化三铁、羟基氧化铁、纳米零价铁中的至少一种。

7.根据权利要求6所述的废水处理装置，其特征在于，所述第二碳毡基体采用石墨毡。

8.根据权利要求1所述的废水处理装置，其特征在于，所述催化阴极是通过将煅烧后的所述第二碳毡基体浸泡于铁盐溶液中，并取出烘干后煅烧形成的。

9.根据权利要求1至8任一项所述的废水处理装置，其特征在于，还包括水循环单元，所述水循环单元包括储液罐、进水管、出水管和蠕动泵，所述进水管的两端分别连通所述储液罐和所述反应容器，所述出水管的两端分别连通所述储液罐和所述反应容器，所述蠕动泵连接设置于所述进水管和/或所述出水管。

10.一种基于权利要求1至9任一项所述的废水处理装置的废水处理方法，其特征在于，采用以下步骤对待处理废水进行处理：将待处理废水加入到所述反应容器中，启动所述直流电源单元以控制所述电极单元的电流，处理预定时间后完成废水处理。

11.根据权利要求10所述的废水处理方法，其特征在于，控制所述电极单元中的空气扩散阴极的电流为15~100mA/cm²。

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