CN105417901B - 一种污水处理装置以及一种污水处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种污水处理装置，包括：阳极反应区；入水口与所述阳极反应区的出水口相连的阴极反应区；入水口与所述阴极反应区的出水口相连的厌氧氨氧化脱氮区；入水口与所述厌氧氨氧化脱氮区的出水口相连的化学沉淀除磷区；所述阳极反应区、厌氧氨氧化脱氮区和阴极反应区依次相邻设置，所述阳极反应区与所述厌氧氨氧化脱氮区通过阴离子交换膜相连通，所述厌氧氨氧化脱氮区与所述阴极反应区通过阳离子交换膜相连通。

Description

一种污水处理装置以及一种污水处理方法
技术领域
本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种污水处理装置以及一种污水处理方法。
背景技术
目前，生活污水处理大都采用传统的生物处理方法。通过设置好氧、厌氧、缺氧等环境来实现有机碳和营养元素的去除。常规脱氮工艺大都是在好氧条件下将氨氮氧化成硝酸盐，而后在缺氧条件下利用污水中的有机物作为电子供体将硝酸盐还原成气态氮。由于在好氧条件下污水中部分有机物会被氧化成CO2，这样一来常出现因污水中有机物不足而反硝化效率下降的现象，这个问题在低浓度城市生活污水处理中尤其突出。其次，全程脱氮过程从原理上来说是一个含多余步骤的反应过程，增加了系统的能耗，这在倡导建立资源节约型社会的今天显得尤为不适。再者，生物脱氮和除磷是存有矛盾点的两个过程，工程上为了缓解两者间的矛盾，往往处理路线较为复杂。全程生物脱氮除磷工艺过程的复杂性常导致污水厂反应池数量多、管线复杂、占地面积大。最后，常规污水处理技术中对能源资源的回收率不高。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种污水处理装置以及一种污水处理方法，本发明提供的污水处理装置采用生物电化学系统结合短程硝化-厌氧氨氧化的脱氮装置，处理线路简单，能耗低，可用于处理低浓度城市生活污水，并且可以实现电能的回收利用。
本发明提供了一种污水处理装置，包括：
阳极反应区；
入水口与所述阳极反应区的出水口相连的阴极反应区；
入水口与所述阴极反应区的出水口相连的厌氧氨氧化脱氮区；
入水口与所述厌氧氨氧化脱氮区的出水口相连的化学沉淀除磷区；
所述阳极反应区、厌氧氨氧化脱氮区和阴极反应区依次相邻设置，所述阳极反应区与所述厌氧氨氧化脱氮区通过阴离子交换膜相连通，所述厌氧氨氧化脱氮区与所述阴极反应区通过阳离子交换膜相连通。
优选的，所述阳极反应区包括：
填充于所述阳极反应区内部的电极颗粒；
附着于所述电极颗粒表面的产电菌；
一端设置于所述阳极反应区底部、另一端延伸至所述阳极反应区外部的石墨棒。
优选的，所述阴极反应区包括：
设置于所述阴极反应区侧壁的空气阴极电极；
设置于所述阴极反应区内的悬浮填料；
附着于所述悬浮填料表面的好氧自养短程硝化生物膜；
设置于所述阴极反应区内的硝化污泥。
优选的，所述阳极反应区与所述阴极反应区通过导线连接，所述导线的一端与所述石墨棒延伸至所述阳极反应区外部的一端相连，所述导线的另一端与所述空气阴极电极相连，并且连接所述阳极反应区与所述阴极反应区的导线之间设置有负载。
优选的，所述阴极反应区还包括设置于所述阴极反应区顶部的镂空挡板。
优选的，所述悬浮填料的密度为0.90～0.92g/cm3。
优选的，所述空气阴极电极包括；
空气阴极基底；
分别复合于空气阴极基底两侧的金属催化层和扩散层；
所述金属催化层设置于所述阴极反应区内侧，所述扩散层设置于所述阴极反应区的外侧。
优选的，所述厌氧氨氧化脱氮区设置有厌氧氨氧化污泥。
本发明还提供了一种采用上述污水处理装置进行污水处理的方法，包括以下步骤：
将待处理的污水依次通过阳极反应区、阴极反应区、厌氧氨氧化脱氮区和化学沉淀除磷区，得到处理后的污水。
优选的，所述待处理的污水包括：
150～700mg/L的COD；
20～60mg/L的NH4 +-N；
3～7mg/L的总磷；
100～250mg/L的SS。
与现有技术相比，本发明提供了一种污水处理装置，包括：阳极反应区；入水口与所述阳极反应区的出水口相连的阴极反应区；入水口与所述阴极反应区的出水口相连的厌氧氨氧化脱氮区；入水口与所述厌氧氨氧化脱氮区的出水口相连的化学沉淀除磷区；所述阳极反应区、厌氧氨氧化脱氮区和阴极反应区依次相邻设置，所述阳极反应区与所述厌氧氨氧化脱氮区通过阴离子交换膜相连通，所述厌氧氨氧化脱氮区与所述阴极反应区通过阳离子交换膜相连通。首先，在阳极反应区内待处理污水中的有机碳被产电微生物所利用转化为电子传递给阳极碳棒，产生的电子通过导线和外部负载到达阴极后构成回路，实现了电能的回收。同时，阳极反应后剩下的氮磷污染物进入到阴极反应区后，在阴极反应区内的自养菌的作用下将一半的氨氮氧化成亚硝氮，然后污水进入到厌氧氨氧化脱氮区进行氮素污染物的脱除。最后，剩余不能被微生物利用的磷酸盐在除磷池通过化学沉淀进行去除。本发明提供的污水处理装置采用生物电化学系统结合短程硝化-厌氧氨氧化的脱氮装置，处理线路简单，能耗低，可用于处理低浓度城市生活污水。可以将生活污水中的有机碳转化成电能，进一步补偿污水处理过程的能耗。此外，阳极和阴极所构成的电场还会刺激厌氧氨氧化脱氮区内的微生物，强化脱氮效果。另外，阳极反应区微生物为厌氧微生物，阴极反应区为自养微生物，厌氧氨氧化脱氮区为厌氧自养微生物，这几类微生物的生长速率低，整个系统的污泥产率低。
附图说明
图1为本发明提供的污水处理装置的结构示意图；
图2为本发明提供的污水处理装置的侧视图；
图3为本发明提供的污水处理方法的流程示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种污水处理装置，其特征在于，包括：
阳极反应区；
入水口与所述阳极反应区的出水口相连的阴极反应区；
入水口与所述阴极反应区的出水口相连的厌氧氨氧化脱氮区；
入水口与所述厌氧氨氧化脱氮区的出水口相连的化学沉淀除磷区；
所述阳极反应区、厌氧氨氧化脱氮区和阴极反应区依次相邻设置，所述阳极反应区与所述厌氧氨氧化脱氮区通过阴离子交换膜相连通，所述厌氧氨氧化脱氮区与所述阴极反应区通过阳离子交换膜相连通。
本发明提供的污水处理装置包括阳极反应区，优选的，所述阳极反应区包括：
填充于所述阳极反应区内部的电极颗粒；
附着于所述电极颗粒表面的产电菌；
一端设置于所述阳极反应区底部、另一端延伸至所述阳极反应区外部的石墨棒。
在本发明中，所述阳极反应区包括填充于所述阳极反应区内部的电极颗粒，优选的，所述电极颗粒填满所述阳极反应区。其中，所述电极颗粒优选为石墨颗粒。
所述阳极反应区还包括附着于所述电极颗粒表面的产电菌。所述产电菌利用污水中的有机物进行产电，并将电子传递给石墨棒，经阳极反应区处理后，污水中的COD得到去除。
在本发明中，所述产电菌通过富集得到，具体方法为：
取城市污水厂污泥接种到阳极反应区内和颗粒电极混合后，加入营养元素，接着用万用表或者电化学工作站检测电流直至阳极反应区内有稳定并持续时间一周以上的电流输出。
优选的，所述营养元素配方为(mg/L)：CH3COONa:500，NH4Cl:360,KCl:130,CaCl2:16,MgCl2·6H2O:20,NaCl:2,FeCl2:5,H3BO3:1,NiCl2·6H2O:0.1,CuSO4·5H2O:1,ZnCl2:1以上物质溶于50mM pH＝7.0的PBS缓冲液中。
所述产电菌将产生的电子传递给石墨棒，所述石墨棒的一端设置于所述阳极反应区底部、另一端延伸至所述阳极反应区外部。
在本发明中，所述阳极反应区的入水口优选设置于所述阳极反应区的底部，所述阳极反应区的出水口优选设置于所述阳极反应区的顶部。
本发明提供的污水处理装置还包括入水口与所述阳极反应区的出水口相连的阴极反应区。其中，所述阴极反应区包括：
设置于所述阴极反应区侧壁的空气阴极电极；
设置于所述阴极反应区内的悬浮填料；
附着于所述悬浮填料表面的好氧自养短程硝化生物膜；
设置于所述阴极反应区内的硝化污泥。
在本发明中，所述阴极反应区包括空气阴极电极。本发明对所述空气阴极电极的结构并没有特殊限制，本领域技术人员公知的空气阴极电极即可。在本发明中，所述空气阴极电极包括：
空气阴极基底；
分别复合于空气阴极基底两侧的金属催化层和扩散层；
所述金属催化层设置于所述阴极反应区内侧，所述扩散层设置于所述阴极反应区的外侧。
本发明所述的空气阴极电极包括空气阴极基底，所述空气阴极基底优选为碳毡。
本发明提供的空气阴极电极还包括分别复合于所述空气阴极基底两侧的金属催化层和扩散层。
其中，所述金属催化层设置于所述阴极反应区内侧，并与所述阴极反应区内的污水相接触。在本发明中，所述金属催化层的金属优选为Pt、Pd、Au、Fe、Co或Ni，更优选为Pt。其中，所述金属催化层优选采用镀膜的方法复合于所述空气阴极基底的一侧，优选的，所述金属催化层的镀膜量为5～10mg/m2。本发明对所述镀膜的方式并没有特殊限制，本领域技术人员公知的镀膜方法即可。
所述扩散层设置于所述阴极反应区的外侧，并与空气接触。在本发明中，所述扩散层优选为PTFE扩散层。优选的，采用涂覆的方式将所述扩散层涂覆于空气阴极基底的另一侧。即，将所述PTFE配置为浓度为30％(w/v)的浆料，并将所述浆料涂覆与所述空气阴极基底的另一侧。本发明对所述涂覆的方法并没有特殊限制，本领域技术人员公知的涂覆方法即可。
另外，在本发明中，所述阳极反应区与所述阴极反应区通过导线连接，所述导线的一端与所述石墨棒延伸至所述阳极反应区外部的一端相连，所述导线的另一端与所述空气阴极电极相连，优选的，所述导线的另一端设置于所述空气阴极的基底内。并且连接所述阳极反应区与所述阴极反应区的导线之间设置有负载。
本发明提供的污水处理装置的阴极反应区还包括设置于所述阴极反应区内的悬浮填料。优选的，所述悬浮填料悬浮于所述阴极反应区的上方。在本发明中，所述悬浮填料的密度小于所述污水的密度，优选为0.90～0.92g/cm3。
本发明提供的污水处理装置的阴极反应区还包括设置于所述阴极反应区内的硝化污泥，优选的，所述硝化污泥设置于所述阴极反应区的底部。更有选的，所述悬浮填料位于所述硝化污泥的上方。所述硝化污泥中的微生物在所述悬浮填料表面富集生长，得到附着于所述悬浮填料表面的好氧自养短程硝化生物膜。其中，所述富集方法优选为：
取城市污水厂好氧消化池硝化污泥至反应器内，加入填料后通入模拟污水，维持反应器内溶解氧浓度为0.5-1.5mg/L，直至氨氮氧化成亚硝酸盐的转化率在80％以上视为富集成功。
在本发明中，采用微曝气将溶解氧浓度控制在1mg/L左右。
所述用于培养短程硝化生物膜的模拟废水配方为(mg/L)：NaHCO3:100,KH2PO4:27,MgSO4·7H2O:300,CaCl2:180,(NH4)2SO4:140,EDTA:5,FeSO4:5,ZnSO4·7H2O:0.00043,CoCl2·6H2O:0.00024,MnCl2·4H2O:0.001,CuSO4·5H2O:0.00025,NaMoO4·2H2O:0.00022,NiCl2:0.0002,NaSeO410H2O:0.00021,H3BO3:0.000014。
在本发明中，所述阴极反应区还包括设置于所述阴极反应区顶部的镂空挡板，用于截留悬浮填料，所述镂空挡板的孔径优选为0.3-0.5cm。
优选的，所述阴极反应区的入水口设置于所述阴极反应区的底端，所述阴极反应区的出水口设置于所述阴极反应区的顶端。
待处理污水经阳极反应区处理后，污水中的COD得到去除，剩余的氮和磷污染物随出水排入到阴极反应区。在阴极反应区内，好氧自养短程硝化生物膜利用阳极产生的电子还原空气和水溶液中的氧气，实现了电路的流通。此外，在曝气搅拌的作用下，悬浮填料悬浮在反应区内。填料上生长着的生物膜可以将污水中的氨氮转换为亚硝氮，使得阴极反应区出水中的氨氮和亚硝氮的浓度比例维持在1:1-1:1.3。
本发明提供的污水处理装置还包括入水口与所述阴极反应区的出水口相连的厌氧氨氧化脱氮区。
所述的厌氧氨氧化脱氮区含有高活性的厌氧氨氧化污泥，所述厌氧氨氧化污泥通过富集得到。优选的，所述的厌氧氨氧化污泥为颗粒态。
所述的高活性的厌氧氨氧化污泥富集方法为：
取城市污水厂缺氧污泥和厌氧消化池厌氧污泥以质量比1:0.5～1：1.5的比例混合后接种到厌氧氨氧化脱氮区内，控制所述厌氧氨氧化脱氮区内污泥浓度为8-12g VSS/L左右；
将模拟污水通入反应器后保持水力停留时间为10-12h直至氨氮和亚硝氮同步去除率达到80％或以上时，逐渐缩短水力停留时间至2-4h，期间每次缩短水力停留时间后都需等氨氮和亚硝氮同步去除率稳定到80％以上。
其中，所述的用于培养厌氧氨氧化污泥模拟污水配方为(mg/L)：KHCO3:500,KH2PO4:27,MgSO4·7H2O:300,CaCl2:180,(NH4)2SO4:670,NaNO2:690,EDTA:5,FeSO4:5,ZnSO4·7H2O:0.00043,CoCl2·6H2O:0.00024,MnCl2·4H2O:0.001,CuSO4·5H2O:0.00025,NaMoO4·2H2O:0.00022,NiCl2:0.0002,NaSeO410H2O:0.00021,H3BO3:0.000014。
优选的，所述厌氧氨氧化脱氮区的入水口设置于所述厌氧氨氧化脱氮区的底部，所述厌氧氨氧化脱氮区的出水口设置于所述厌氧氨氧化脱氮区的顶部。
本发明提供的污水处理装置还包括入水口与所述厌氧氨氧化脱氮区的出水口相连的化学沉淀除磷区。
优选的，所述化学沉淀除磷区的入水口与所述厌氧氨氧化脱氮区的出水口通过管道相连。更优选的，与所述厌氧氨氧化脱氮区的出水口连接的管道延伸至所述化学沉淀除磷区的底部，被处理的污水进入所述化学除磷区的底部并可以通过溢流的方式流出所述化学除磷区。在本发明的一些具体实施方式中，所述化学除磷区的出水口的下方设置有锯齿形的挡板。
在所述化学除磷区内设置有化学除磷药剂，所述化学除磷药剂用于去除水中的含磷杂质，从而形成沉淀达到磷的去除。在本发明中，所述化学除磷药剂优选为FeCl3。
在本发明的一些具体实施方式中，所述化学沉淀除磷区通过支架连接于所述阳极反应区、厌氧氨氧化脱氮区和阴极反应区中的一个和多个反应区。优选的，所述化学沉淀除磷区通过四根支架连接于所述厌氧氨氧化脱氮区。
在本发明中，所述阳极反应区、厌氧氨氧化脱氮区和阴极反应区依次相邻设置，所述阳极反应区与所述厌氧氨氧化脱氮区之间设置有阴离子交换膜，所述厌氧氨氧化脱氮区与所述阴极反应区之间设置有阳离子交换膜。所述阳极反应区与所述厌氧氨氧化脱氮区通过阴离子交换膜相连通，所述厌氧氨氧化脱氮区与所述阴极反应区通过阳离子交换膜相连通。
本发明提供的污水处理装置具体参见图1和图2，图1为本发明提供的污水处理装置的结构示意图，图2为本发明提供的污水处理装置的侧视图。图1中，1为阳极反应区、2为厌氧氨氧化脱氮区、3为阴极反应区、4为导电颗粒、5为石墨棒、6为空气阴极、7为镂空挡板、8为负载、9为化学沉淀除磷区、10，12，15为出水管、11，13，14为进水管、16为锯齿形出水口、17为阴离子交换膜、18为阳离子交换膜、19为支架。图2中，10，12为出水管、11，14为进水管，9为化学沉淀除磷区。
本发明还提供了一种采用上述污水处理装置进行污水处理的方法，包括以下步骤：
将待处理的污水依次通过阳极反应区、阴极反应区、厌氧氨氧化脱氮区和化学沉淀除磷区，得到处理后的污水。
在本发明中，所述待处理的污水包括：
150～700mg/L的COD；
20～60mg/L的NH4 +-N；
3～7mg/L的总磷；
100～250mg/L的SS。
参见图3，图3为本发明提供的污水处理方法的流程示意图。
具体的，通过水泵，待处理的污水采用升流式的进水方式经过设置于所述阳极反应区底部的入水口进入到阳极反应区，阳极反应区内附着于所述电极颗粒表面的产电菌利用待处理污水中的有机物进行产电，并将电子传递给石墨棒。
在本发明中，所述产电菌通过富集得到，具体方法为：
取城市污水厂污泥接种到阳极反应区内和颗粒电极混合后，加入营养元素，接着用万用表或者电化学工作站检测电流直至阳极反应区内有稳定并持续时间一周以上的电流输出。
优选的，所述营养元素配方为(mg/L)：CH3COONa:500，NH4Cl:360,KCl:130,CaCl2:16,MgCl2·6H2O:20,NaCl:2,FeCl2:5,H3BO3:1,NiCl2·6H2O:0.1,CuSO4·5H2O:1,ZnCl2:1以上物质溶于50mM pH＝7.0的PBS缓冲液中。
经过阳极反应区处理后，污水中的COD得到去除，污水中剩余的氮和磷污染物随着设置于所述阳极反应区顶部的出水口排出，并通过管道，采用升流式的进水方式经过设置于所述阴极反应区底部的入水口进入到阴极反应区。
在阴极反应区内，硝化污泥中的好氧自养短程硝化生物膜利用阳极产生的电子还原空气和水溶液中的氧气，实现了电路的流通。
另外，设置于所述阴极反应区底部的曝气装置可以实现微曝气，在控制污水中溶解氧浓度的同时，还可以悬浮所述悬浮填料，填料上生长着的生物膜可以将污水中的氨氮转换为亚硝氮，使得阴极反应区出水中的氨氮和亚硝氮的质量比例维持在1:1-1:1.3。
其中，所述硝化污泥中的微生物在所述悬浮填料表面富集生长，得到附着于所述悬浮填料表面的好氧自养短程硝化生物膜。所述富集方法优选为：
取城市污水厂好氧消化池硝化污泥至反应器内，加入填料后通入模拟污水，维持反应器内溶解氧浓度为0.5-1.5mg/L，直至氨氮氧化成亚硝酸盐的转化率在80％以上视为富集成功。
在本发明中，采用微曝气将溶解氧浓度控制在1mg/L左右。
所述用于培养短程硝化生物膜的模拟废水配方为(mg/L)：NaHCO3:100,KH2PO4:27,MgSO4·7H2O:300,CaCl2:180,(NH4)2SO4:140,EDTA:5,FeSO4:5,ZnSO4·7H2O:0.00043,CoCl2·6H2O:0.00024,MnCl2·4H2O:0.001,CuSO4·5H2O:0.00025,NaMoO4·2H2O:0.00022,NiCl2:0.0002,NaSeO410H2O:0.00021,H3BO3:0.000014。
经过阴极反应区处理后，污水随着设置于所述阴极反应区顶部的出水口排出，并通过管道，采用升流式的进水方式经过设置于所述厌氧氨氧化脱氮区底部的入水口进入到厌氧氨氧化脱氮区。
在所述厌氧氨氧化脱氮区内生长有高活性的厌氧氨氧化颗粒污泥，污水中的氨氮和亚硝氮可以得到去除从而达到脱氮的目的。
在本发明中，所述厌氧氨氧化污泥通过富集得到。优选的，所述的厌氧氨氧化污泥为颗粒态。
所述的高活性的厌氧氨氧化污泥富集方法为：
取城市污水厂缺氧污泥和厌氧消化池厌氧污泥以质量比1:0.5～1：1.5的比例混合后接种到厌氧氨氧化脱氮区内，控制所述厌氧氨氧化脱氮区内污泥浓度为8-10g VSS/L左右；
将模拟污水通入反应器后保持水力停留时间为10-12h直至氨氮和亚硝氮同步去除率达到80％或以上时，逐渐缩短水力停留时间至2-4h，期间每次缩短水力停留时间后都需等氨氮和亚硝氮同步去除率稳定到80％以上。
其中，所述的用于培养厌氧氨氧化污泥模拟污水配方为(mg/L)：KHCO3:500,KH2PO4:27,MgSO4·7H2O:300,CaCl2:180,(NH4)2SO4:670,NaNO2:690,EDTA:5,FeSO4:5,ZnSO4·7H2O:0.00043,CoCl2·6H2O:0.00024,MnCl2·4H2O:0.001,CuSO4·5H2O:0.00025,NaMoO4·2H2O:0.00022,NiCl2:0.0002,NaSeO410H2O:0.00021,H3BO3:0.000014。
在所述厌氧氨氧化脱氮区内经脱氮处理后的污水随着设置于所述厌氧氨氧化脱氮区顶部的出水口排出，并通过管道，排入到化学沉淀除磷区底部。
污水在所述化学沉淀除磷区与所述化学沉淀除磷试剂进行反应，形成沉淀污泥，达到除磷目的。
最后，经过处理后的污水从除磷区上部经过锯齿形的溢流堰排出污水处理装置。
本发明首先在阳极反应区内待处理污水中的有机碳被产电微生物所利用转化为电子传递给阳极碳棒，产生的电子通过导线和外部负载到达阴极后构成回路，实现了电能的回收。同时，阳极反应后剩下的氮磷污染物进入到阴极反应区后，在阴极反应区内的自养菌的作用下将一半的氨氮氧化成亚硝氮，然后污水进入到厌氧氨氧化脱氮区进行氮素污染物的脱除。最后，剩余不能被微生物利用的磷酸盐在化学沉淀除磷区通过化学沉淀进行去除。
本发明提供的污水处理装置采用生物电化学系统结合短程硝化-厌氧氨氧化的脱氮装置，处理线路简单，能耗低，可用于处理低浓度城市生活污水。可以将生活污水中的有机碳转化成电能，进一步补偿污水处理过程的能耗。此外，阳极和阴极所构成的电场还会刺激厌氧氨氧化脱氮区内的微生物，强化脱氮效果。另外，阳极反应区微生物为厌氧微生物，阴极反应区为自养微生物，厌氧氨氧化脱氮区为厌氧自养微生物，这几类微生物的生长速率低，整个系统的污泥产率低。相比于传统的污水生物处理装置，在达到同样去除效果的前提下，本发明提供的污水处理装置的能耗明显下降。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的污水处理装置以及污水处理方法进行说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1
本实施例提供的污水处理装置包括阳极反应区；入水口与所述阳极反应区的出水口相连的阴极反应区；入水口与所述阴极反应区的出水口相连的厌氧氨氧化脱氮区；入水口与所述厌氧氨氧化脱氮区的出水口相连的化学沉淀除磷区；所述阳极反应区、厌氧氨氧化脱氮区和阴极反应区依次相邻设置，所述阳极反应区与所述厌氧氨氧化脱氮区之间设置有阴离子交换膜，所述厌氧氨氧化脱氮区与所述阴极反应区之间设置有阳离子交换膜。
其中，所述阳极反应区包括：填充于所述阳极反应区内部的电极颗粒；附着于所述电极颗粒表面的产电菌；一端设置于所述阳极反应区底部、另一端延伸至所述阳极反应区外部的石墨棒。
所述阴极反应区包括：空气阴极电极；设置于所述阴极反应区内的悬浮填料；附着于所述悬浮填料表面的好氧自养短程硝化生物膜；设置于所述阴极反应区内的硝化污泥。
所述空气阴极电极包括；空气阴极基底；分别复合于空气阴极基底两侧的金属催化层和扩散层；所述金属催化层设置于所述阴极反应区内侧，所述扩散层设置于所述阴极反应区的外侧。所述空气阴极基底为碳毡，所述金属催化层为镀膜量为5mg/cm2的Pt层。所述扩散层为PTFE扩散层。
所述悬浮填料的密度为0.92g g/cm3。所述悬浮填料的直径为1cm，所述悬浮填料的高度为2cm。所述阴极反应区还包括设置于所述阴极反应区顶部的镂空挡板。所述挡板的孔径为0.5cm。
所述阳极反应区与所述阴极反应区通过导线连接，所述导线的一端与所述石墨棒延伸至所述阳极反应区外部的一端相连，所述导线的另一端与所述空气阴极电极相连，并且所述阳极反应区与所述阴极反应区之间设置有负载。
在所述厌氧氨氧化脱氮区设置有厌氧氨氧化污泥。
在所述化学沉淀除磷区中，按照17mg Fe3+/mg PO4 3-的量投加FeCl3进行除磷处理。并且与所述厌氧氨氧化脱氮区的出水口连接的管道延伸至所述化学沉淀除磷区的底部，所述化学除磷区的出水口设置有锯齿形的挡板。所述化学除磷区通过四根支架连接于所述厌氧氨氧化脱氮区。
实施例2
1、产电菌富集的具体方法为：
取城市污水厂污泥接种到阳极反应区内和颗粒电极混合后，加入营养元素，接着用万用表或者电化学工作站检测电流直至阳极反应区内有稳定并持续时间一周以上的电流输出。
优选的，所述营养元素配方为(mg/L)：CH3COONa:500，NH4Cl:360,KCl:130,CaCl2:16,MgCl2·6H2O:20,NaCl:2,FeCl2:5,H3BO3:1,NiCl2·6H2O:0.1,CuSO4·5H2O:1,ZnCl2:1以上物质溶于50mM pH＝7.0的PBS缓冲液中。
2、所述硝化污泥中的微生物在所述悬浮填料表面富集生长，得到附着于所述悬浮填料表面的好氧自养短程硝化生物膜。所述好氧自养短程硝化生物膜富集方法优选为：
取城市污水厂好氧消化池硝化污泥至反应器内，加入填料后通入模拟污水，维持反应器内溶解氧浓度为1mg/L，直至氨氮氧化成亚硝酸盐的转化率在80％以上视为富集成功。
所述用于培养短程硝化生物膜的培养基配方为(mg/L)：NaHCO3:100,KH2PO4:27,MgSO4·7H2O:300,CaCl2:180,(NH4)2SO4:140,EDTA:5,FeSO4:5,ZnSO4·7H2O:0.00043,CoCl2·6H2O:0.00024,MnCl2·4H2O:0.001,CuSO4·5H2O:0.00025,NaMoO4·2H2O:0.00022,NiCl2:0.0002,NaSeO410H2O:0.00021,H3BO3:0.000014。
3、所述的高活性的厌氧氨氧化污泥富集方法为：
取城市污水厂缺氧污泥和厌氧消化池厌氧污泥以质量比1:1的比例混合后接种到厌氧氨氧化脱氮区内，控制所述厌氧氨氧化脱氮区内污泥浓度为10g VSS/L左右；
将模拟污水通入反应器后保持水力停留时间为12h直至氨氮和亚硝氮同步去除率达到80％时，逐渐缩短水力停留时间至2h，期间每次缩短水力停留时间后都需等氨氮和亚硝氮同步去除率稳定到80％以上。
其中，所述的用于培养厌氧氨氧化污泥模拟污水配方为(mg/L)：KHCO3:500,KH2PO4:27,MgSO4·7H2O:300,CaCl2:180,(NH4)2SO4:670,NaNO2:690,EDTA:5,FeSO4:5,ZnSO4·7H2O:0.00043,CoCl2·6H2O:0.00024,MnCl2·4H2O:0.001,CuSO4·5H2O:0.00025,NaMoO4·2H2O:0.00022,NiCl2:0.0002,NaSeO410H2O:0.00021,H3BO3:0.000014。
实施例3低浓度城市污水的处理
采用实施例1提供的污水处理系统进行污水处理，具体的：
经过预处理的低浓度城市污水(COD：150mg/L，NH4 +-N：20mg/L，TP：3mg/L,SS：100mg/L)通过污水泵从底部送入阳极反应区，阳极区内的经过实施例2富集得到的产电菌利用污水中的有机物进行产电并将电子传递给石墨碳棒。经阳极反应区处理后，出水COD为50mg/L，NH4 +-N：20mg/L，TP：3mg/L,SS：40mg/L。
污水进入阴极反应区后，电极上的经过实施例2富集得到的好氧自养短程硝化生物膜利用阳极产生的电子还原空气和水溶液中的氧气，实现了电路的流通。此外，阴极反应区内还投放有密度为0.92g/cm3的圆柱形填料，填料直径1cm，高度2cm。在0.8mg/L左右曝气搅拌的作用下，悬浮填料悬浮在反应区内。悬浮填料上生长着的好氧自养短程硝化生物膜可以将污水中的氨氮转换为亚硝氮，部分有机碳被矿化。在阴极反应区的顶部设有镂空挡板用于截留填料，挡板的孔径为0.5cm。阴极处理后的出水水质为：COD：40mg/L，NH4 +-N：9mg/L，NO2 --N：10mg/L，TP：3mg/L,SS：30mg/L。
经阴极反应区处理过后的污水由底部进入厌氧氨氧化脱氮区内，在该反应区内生长有实施例2富集得到的高活性的厌氧氨氧化絮状污泥，污水中的氨氮和亚硝氮可以得到去除从而达到脱氮的目的。经厌氧氨氧化池处理后，出水水质为：COD：35mg/L，NH4 +-N：1.3mg/L，NO2 --N：0.2mg/L，NO3 --N：1.5mg/L，TP：3mg/L,SS：25mg/L。
经脱氮处理后的污水排入到化学除磷区，投加51mg/L的FeCl3进行除磷处理。最后污水从除磷区上部经过锯齿形的溢流堰排出系统，系统出水水质为：COD：30mg/L，NH4 +-N：1.3mg/L，NO2 --N：0.2mg/L，NO3 --N：1.5mg/L，TP：0.1mg/L，SS：15mg/L。
实施例4中等浓度城市污水的处理
采用实施例1提供的污水处理系统进行污水处理，具体的：
经过预处理的中等浓度城市污水(COD：400mg/L，NH4 +-N：40mg/L，TP：5mg/L,SS：150mg/L)通过污水泵从底部送入阳极反应区，阳极反应区内的经过实施例2富集得到的产电菌利用污水中的有机物进行产电并将电子传递给石墨碳棒。经阳极反应区处理后，出水COD：100mg/L，NH4 +-N：40mg/L，TP：5mg/L,SS：60mg/L。
污水进入阴极反应区后，电极上的经过实施例2富集得到的好氧自养短程硝化生物膜利用阳极反应区产生的电子还原空气和水溶液中的氧气，实现了电路的流通。此外，阴极反应区内还投放有密度为0.92g/cm3的圆柱形填料，填料直径1cm，高度2cm。在1mg/L左右曝气搅拌的作用下，悬浮填料悬浮在反应区内。悬浮填料上生长着的好氧自养短程硝化生物膜可以将污水中的氨氮转换为亚硝氮，部分有机碳被继续矿化。在阴极反应区的顶部设有镂空挡板用于截留填料，挡板的孔径为0.5cm。阴极处理后的出水水质为：COD：70mg/L，NH4 +-N：15mg/L，NO2 --N：25mg/L，TP：5mg/L,SS：50mg/L。
经阴极反应区处理过后的污水由底部进入厌氧氨氧化脱氮区内，在该反应区内生长有实施例2富集得到的高活性的厌氧氨氧化絮状污泥，污水中的氨氮和亚硝氮可以得到去除从而达到脱氮的目的。经厌氧氨氧化池处理后，出水水质为：COD：55mg/L，NH4 +-N：0.5mg/L，NO2 --N：1mg/L，NO3 --N：0.5mg/L，TP：5mg/L,SS：45mg/L。
经脱氮处理后的污水排入到化学除磷区，投加85mg/L的FeCl3进行除磷处理。最后污水从除磷区上部经过锯齿形的溢流堰排出系统，系统出水水质为：COD：45mg/L，NH4 +-N：0.5mg/L，NO2 --N：1mg/L，TP：0.3mg/L,SS：40mg/L。
实施例5高浓度城市污水的处理
采用实施例1提供的污水处理系统进行污水处理，具体的：
经过预处理的高浓度城市污水(COD：700mg/L，NH4 +-N：60mg/L，TP：7mg/L,SS：250mg/L)通过污水泵从底部送入阳极反应区，阳极区内的经过实施例2富集得到的产电菌利用污水中的有机物进行产电并将电子传递给石墨碳棒。经阳极反应区处理后，出水COD：150mg/L，NH4 +-N：60mg/L，TP：7mg/L,SS：150mg/L。
污水进入阴极反应区后，电极上的经过实施例2富集得到的好氧自养短程硝化生物膜利用阳极产生的电子还原空气和水溶液中的氧气，实现了电路的流通。此外，阴极反应区内还投放有密度为0.92g/cm3的圆柱形填料，填料直径1cm，高度2cm。在1.3mg/L左右曝气搅拌的作用下，悬浮填料悬浮在反应区内。悬浮填料上生长着的好氧自养短程硝化生物膜可以将污水中的氨氮转换为亚硝氮，部分有机碳被继续矿化。在阴极反应区的顶部设有镂空挡板用于截留填料，挡板的孔径为0.5cm。阴极处理后的出水水质为：COD：100mg/L，NH4 +-N：25mg/L，NO2 --N：35mg/L，TP：7mg/L,SS：120mg/L。
经阴极反应区处理过后的污水由底部进入厌氧氨氧化脱氮区内，在该反应区内生长有实施例2富集得到的高活性的厌氧氨氧化颗粒污泥，污水中的氨氮和亚硝氮可以得到去除从而达到脱氮的目的。经厌氧氨氧化池处理后，出水水质为：COD：65mg/L，NH4 +-N：0.5mg/L，NO2 --N：3mg/L，NO3 --N：4mg/L，TP：7mg/L,SS：110mg/L。
经脱氮处理后的污水排入到化学除磷区，投加120mg/L的FeCl3进行除磷处理。最后污水从除磷区上部经过锯齿形的溢流堰排出系统，系统出水水质为：COD：55mg/L，NH4 +-N：0.5mg/L，NO2 --N：3mg/L，NO3 --N：4mg/L，TP：0.5mg/L,SS：40mg/L。
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。

Claims (9)

1.一种污水处理装置，其特征在于，包括：
阳极反应区；
入水口与所述阳极反应区的出水口相连的阴极反应区，所述阴极反应区包括：
设置于所述阴极反应区侧壁的空气阴极电极；
设置于所述阴极反应区内的悬浮填料；
附着于所述悬浮填料表面的好氧自养短程硝化生物膜；
设置于所述阴极反应区内的硝化污泥；
入水口与所述阴极反应区的出水口相连的厌氧氨氧化脱氮区；
入水口与所述厌氧氨氧化脱氮区的出水口相连的化学沉淀除磷区；
所述阳极反应区、厌氧氨氧化脱氮区和阴极反应区依次相邻设置，所述阳极反应区与所述厌氧氨氧化脱氮区通过阴离子交换膜相连通，所述厌氧氨氧化脱氮区与所述阴极反应区通过阳离子交换膜相连通。
2.根据权利要求1所述的污水处理装置，其特征在于，所述阳极反应区包括：
填充于所述阳极反应区内部的电极颗粒；
附着于所述电极颗粒表面的产电菌；
一端设置于所述阳极反应区底部、另一端延伸至所述阳极反应区外部的石墨棒。
3.根据权利要求2所述的污水处理装置，其特征在于，所述阳极反应区与所述阴极反应区通过导线连接，所述导线的一端与所述石墨棒延伸至所述阳极反应区外部的一端相连，所述导线的另一端与所述空气阴极电极相连，并且连接所述阳极反应区与所述阴极反应区的导线之间设置有负载。
4.根据权利要求1所述的污水处理装置，其特征在于，所述阴极反应区还包括设置于所述阴极反应区顶部的镂空挡板。
5.根据权利要求1所述的污水处理装置，其特征在于，所述悬浮填料的密度为0.90～0.92g/cm3。
6.根据权利要求1所述的污水处理装置，其特征在于，所述空气阴极电极包括；
空气阴极基底；
分别复合于空气阴极基底两侧的金属催化层和扩散层；
所述金属催化层设置于所述阴极反应区内侧，所述扩散层设置于所述阴极反应区的外侧。
7.根据权利要求1所述的污水处理装置，其特征在于，所述厌氧氨氧化脱氮区设置有厌氧氨氧化污泥。
8.一种采用权利要求1～7任意一项所提供的污水处理装置进行污水处理的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将待处理的污水依次通过阳极反应区、阴极反应区、厌氧氨氧化脱氮区和化学沉淀除磷区，得到处理后的污水。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述待处理的污水包括：
150～700mg/L的COD；
20～60mg/L的NH4 +-N；
3～7mg/L的总磷；
100～250mg/L的SS。
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