CN107265610A - 一种同步污水处理和氮磷回收的生物电化学装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及污水处理技术领域，特别公开了一种同步污水处理和氮磷回收的生物电化学装置。该生物电化学装置，包括底部设置集泥斗的反应罐体，其特征在于：所述反应罐体的对称侧壁上设置有进水口和出水口，反应罐体的侧壁上设置有位置对称的生物反应阳极和氮磷结晶阴极，生物反应阳极和氮磷结晶阴极通过导线连接；反应罐体顶部设置有承托顶盖，顶托顶盖上设有取样口、液位计、NH4 +储罐、酸储罐、溶液氧探头、Mg2+储罐、温度探头、碱储罐、pH探头、PO4 3‑储罐和刮泥电机。本发明可用于处理同时含有COD、氮和磷污染物的生活污水、禽畜养殖废水等，可有效降低污水处理成本，保障水质安全，促进资源回收利用，应用前景广阔。
Description
（一）技术领域
本发明涉及污水处理技术领域，特别涉及一种同步污水处理和氮磷回收的生物电化学装置。
（二）背景技术
我国污水排放量逐年增大，污水处理能耗高、花费大。据统计，近年来，我国污水排放量已高达800亿吨/年，累计建成污水处理厂4000多座，每年用于污水处理的费用已达到上千亿元。传统的污水处理技术通常通过好氧曝气来去除污水中的污染物，电能耗费巨大，我国每年仅用于污水处理的耗电量就占全国总发电量的2%。随着能源资源短缺的日益加剧，节能降耗已成为废水处理行业急待解决的现实问题。然而，污水中又蕴含着巨大潜能，据测算生活污水所含化学能是处理电耗的10倍左右。若采用生物电化学装置将这部分能量加以回收，不但有望解决污水处理的高能耗问题，达到污水处理能量平衡，还有望实现能量输出，缓解能源短缺的危机。
除了蕴含巨大的能量之外，污水中还含有大量的氮磷等营养元素，然而现行的污水处理方法并未将污水中的氮磷资源加以回收利用。全球每年耗费大量能量将空气中的氮固定转化为氮肥，全球磷资源行将枯竭，中国储量也只能有效供给20-50年，而污水中的氮磷肥资源却白白流失。城市污水处理将是实现氮磷循环的重要途径，日本相关机构曾经测算，如将污水中的磷（每年5万吨）加以回收，可解决本国磷矿石进口量的20%。通过向污水中投加Mg2+，可与污水中的氮磷结合生成磷酸铵镁肥料，是从污水中回收氮磷的有效方法，然而传统方法氮磷回收效率低，过程不可控制。
（三）发明内容
本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种结构简单、节能高效、处理成本低的同步污水处理和氮磷回收的生物电化学装置。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种同步污水处理和氮磷回收的生物电化学装置，包括底部设置集泥斗的反应罐体，其特征在于：所述反应罐体的对称侧壁上设置有均安装有电磁阀的位于底部的进水口和位于上部的出水口，反应罐体的侧壁上设置有位置对称的生物反应阳极和氮磷结晶阴极，生物反应阳极和氮磷结晶阴极通过导线连接，且在导线上串联有可调电阻和电流表；反应罐体顶部设置有承托顶盖，顶托顶盖上设有取样口、液位计、NH4 +储罐、酸储罐、溶液氧探头、Mg2+储罐、温度探头、碱储罐、pH探头、PO4 3-储罐和刮泥电机，NH4 +储罐、酸储罐、Mg2+储罐、碱储罐和PO4 3-储罐均通过导流管连通反应罐体内部，导流管上均设置有流量泵和电磁阀。
本发明包括沉淀捕集区、污水处理区和反应调控区，沉淀捕集区为集泥斗所在区域，污水处理区底部和沉淀捕集区顶部直接相连，污水处理区设有反应罐体，反应调控区通过承托顶盖与污水处理区顶部相邻，并通过承托顶盖设置各种监测装置。
本发明利用生物电化学反应强化氮磷结晶沉淀，可在同一装置内去除污水中有机物、氮和磷三种污染物，具有同步污水处理、氮磷资源回收和生物产电功能，有效降低了污水处理成本，将污水处理的功能由单纯污染物削减，转变为集污染控制、能源生产和资源回收于一体的综合技术体系，实现污水处理技术的可持续发展。
本发明的更优技术方案为：
所述集泥斗底部设置有安装电磁阀的排泥管，集泥斗顶部侧壁上设置有通过复位弹簧连接的浮动式载泥板；优选的是所述集泥斗底部倾角α为45-65°，浮动式载泥板与集泥斗初始夹角γ为15-20°。
所述反应罐体的内部侧壁上设置有位于出水口的溢流堰。
所述刮泥电机底部安装有伸入反应罐体的伸缩杆，伸缩杆底部连接有靠近氮磷结晶阴极的刮泥铲，优选的是，所述刮泥铲与氮磷结晶阴极夹角β为135°。
所述反应罐体和集泥斗的体积比为4:1-8:1，反应罐体为长方体，集泥斗为方椎体，反应罐体中部正面设有透视检查镜，透视检查镜为高强透明玻璃。
所述生物反应阳极的材料为碳毡、石墨毡或石墨板中的一种，且其表面生长有厚度为0.01-0.1mm的电化学活性生物膜，电化学活性生物膜由Geobacter菌、Shewanella菌和异养菌组成。
所述氮磷结晶阴极嵌于反应罐体内，内侧与污水接触，外侧与空气接触；氮磷结晶阴极的基体材料为石墨毡或碳毡，内侧涂有Nafion隔膜层，外侧涂有PTFE防水涂层和铂碳催化剂涂层。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果：
（1）可在同一装置内实现有机物、氮和磷三种污染物的去除，改变了传统污水处理技术能耗高的缺点，进行同步污水处理、生物产电和氮磷资源回收，实现节能减排；
（2）本发明可用于处理同时含有COD、氮和磷污染物的生活污水、禽畜养殖废水等，可有效降低污水处理成本，保障水质安全，促进资源回收利用，具有良好的经济、社会和环境效益，应用前景广阔。
（四）附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明的主视结构示意图；
图2为本发明的俯视结构示意图。
图中，1排泥管，2集泥斗，3复位弹簧，4浮动式载泥板，5进水口，6生物反应阳极，7透视检查镜，8液位计，9溶液氧探头，10导流管，11取样口，12流量泵，13 NH4 +储罐，14导线，15酸储罐，16可调电阻，17 Mg2+储罐，18电流表，19碱储罐，20 PO4 3-储罐，21刮泥电机，22承托顶盖，23出水口，24溢流堰，25温度探头，26 pH探头，27伸缩杆，28氮磷结晶阴极，29刮泥铲，30反应罐体，31电磁阀。
（五）具体实施方式
附图为本发明的一种具体实施例。该实施例包括沉淀捕集区A、污水处理区B和反应调控区C，沉淀捕集区A设有排泥管1、集泥斗2、复位弹簧3和浮动式载泥板4，污水处理区B底部和沉淀捕集区A顶部直接相连，污水处理区B设有反应罐30，反应罐体30底部和上部两侧分别设有进水口5和出水口23，进水口5和出水口23均设有电磁阀31，出水口23连接溢流堰24，反应罐体30中部正面设有透视检查镜7，反应罐体30侧壁分别设有生物反应阳极6和氮磷结晶阴极28，反应调控区C通过承托顶盖22与污水处理区B顶部相连，反应调控区C设有承托顶盖22、导线14、可调电阻16和电流表18，导线两端分别连接生物反应阳极6和氮磷结晶阴极28同时串联可调电阻16和电流表18，承托顶盖22上设有取样口11、液位计8、NH4 +储罐13、酸储罐15、溶液氧探头9、Mg2+储罐17、温度探头25、碱储罐19、pH探头26、PO4 3-储罐20和刮泥电机21，刮泥电机21连接伸缩杆27，伸缩杆27底部与刮泥铲29相连，NH4 +储罐13、酸储罐15、Mg2 +储罐17、碱储罐19和PO4 3-储罐 20均通过导流管10与污水处理区B连通，导流管10上均连接有流量泵12和电磁阀31。
所述的污水处理区B和沉淀捕集区A的体积比为4:1-8:1，反应罐体30为长方体，集泥斗2为方锥体，反应罐体30中部正面设有透视检查镜7，透视检查镜7材料为高强透明玻璃。
所述生物反应阳极6的材料为碳毡、石墨毡或石墨板中的一种，生物反应阳极6表面生长有电化学活性生物膜，电化学活性生物膜由 Geobacter菌、Shewanella菌和异养菌组成，电化学生物膜的厚度为0.01-0.1mm。
所述的氮磷结晶阴极28嵌于反应罐体30内，内侧与污水接触，外侧与空气接触，氮磷结晶阴极28基体材料为石墨毡或碳毡，氮磷结晶阴极内侧涂有Nafion隔膜层，外侧涂有PTFE防水涂层和铂碳催化剂涂层。
所述的承托顶盖22设有液位计8、溶液氧探头9、取样口11、NH4 +储罐13、酸储罐15、Mg2+储罐17、碱储罐19、PO4 3-储罐20、刮泥电机21、温度探头25和pH探头26。
所述的集泥斗2底部倾角α为45-65°，刮泥铲29与氮磷结晶阴极28夹角β为135°，浮动式载泥板4与集泥斗2初始夹角γ为15-20°。
采用本发明的生物电化学装置，污水从进水口5进入污水处理区，污水中的有机污染物被生物反应阳极6的电化学活性微生物降解为二氧化碳，有机物氧化降解过程中释放的电子被生物反应阳极6接收，经导线14传递到氮磷结晶阴极28，在铂碳催化剂的催化作用下与空气中氧气反应生成水，在此过程中，污水中有机污染物被去除，并回收电能。当电子在外电路迁移时，污水中的NH4 +为维持电荷平衡向氮磷结晶阴极28迁移，与污水中的PO4 3-和经Mg2+储罐17投加入污水中的Mg2+在氮磷结晶阴极28发生生物电化学反应，产生磷酸铵镁沉淀并沉积于氮磷结晶阴极28表面，当氮磷结晶阴极28表面的磷酸铵镁沉淀达到一定厚度时，刮泥铲29在刮泥电机21的带动下将氮磷结晶阴极28表面的磷酸铵镁沉淀刮净，磷酸铵镁沉淀降落于浮动式载泥板4上，当浮动式载泥板4上磷酸铵镁沉淀积累到一定重量时，浮动式载泥板4下倾，将磷酸铵镁沉淀倾倒于集泥斗2中并回复初始位置，浮动式载泥板4与集泥斗2之间的倾角能有效防止磷酸铵镁沉淀泛起上浮，当集泥斗2中磷酸铵镁沉淀达到一定量时，排泥管1上电磁阀31开启，将磷酸铵镁沉淀回收。连接在导线14上的可调电阻16可调节电路中电流，调控生物电化学反应过程，电流表18可检测电流大小。承托顶盖22上的液位计8、温度探头25、溶液氧探头9和pH探头26可监测污水处理过程中的液位、温度、溶解氧和pH，便于反应过程的理化参数调控，维持反应持续稳定进行。NH4 +储罐13和PO4 3-储罐20可根据废水中污染物浓度调节废水成分，维持NH4 +、PO4 3-和Mg2+处于合适的化学计量比，酸储罐15和碱储罐19可调节污水pH，调控氮磷结晶沉淀反应。经过处理的污水经溢流堰24由出水口23达标排放。
Claims (9)
1.一种同步污水处理和氮磷回收的生物电化学装置，包括底部设置集泥斗（2）的反应罐体（30），其特征在于：所述反应罐体（30）的对称侧壁上设置有均安装有电磁阀的位于底部的进水口（5）和位于上部的出水口（23），反应罐体（30）的侧壁上设置有位置对称的生物反应阳极（6）和氮磷结晶阴极（28），生物反应阳极（6）和氮磷结晶阴极（28）通过导线（14）连接，且在导线（14）上串联有可调电阻（16）和电流表（18）；反应罐体（30）顶部设置有承托顶盖（22），顶托顶盖（22）上设有取样口（11）、液位计（8）、NH4 +储罐（13）、酸储罐（15）、溶液氧探头（9）、Mg2+储罐（17）、温度探头（25）、碱储罐（19）、pH探头（26）、PO4 3-储罐（20）和刮泥电机（21），NH4 +储罐（13）、酸储罐（15）、Mg2+储罐（17）、碱储罐（19）和PO4 3-储罐（20）均通过导流管连通反应罐体（30）内部，导流管上均设置有流量泵（12）和电磁阀。
2.根据权利要求1所述的同步污水处理和氮磷回收的生物电化学装置，其特征在于：所述集泥斗（2）底部设置有安装电磁阀（31）的排泥管（1），集泥斗（2）顶部侧壁上设置有通过复位弹簧（3）连接的浮动式载泥板（4）。
3.根据权利要求1所述的同步污水处理和氮磷回收的生物电化学装置，其特征在于：所述反应罐体（30）的内部侧壁上设置有位于出水口（23）的溢流堰（24）。
4.根据权利要求1所述的同步污水处理和氮磷回收的生物电化学装置，其特征在于：所述刮泥电机（21）底部安装有伸入反应罐体（30）的伸缩杆（27），伸缩杆（27）底部连接有靠近氮磷结晶阴极（28）的刮泥铲（29）。
5.根据权利要求1所述的同步污水处理和氮磷回收的生物电化学装置，其特征在于：所述反应罐体（30）和集泥斗（2）的体积比为4:1-8:1，反应罐体（30）为长方体，集泥斗（2）为方椎体，反应罐体（30）中部正面设有透视检查镜（7），透视检查镜（7）为高强透明玻璃。
6.根据权利要求1所述的同步污水处理和氮磷回收的生物电化学装置，其特征在于：所述生物反应阳极（6）的材料为碳毡、石墨毡或石墨板中的一种，且其表面生长有厚度为0.01-0.1mm的电化学活性生物膜，电化学活性生物膜由Geobacter菌、Shewanella菌和异养菌组成。
7.根据权利要求1所述的同步污水处理和氮磷回收的生物电化学装置，其特征在于：所述氮磷结晶阴极（28）嵌于反应罐体（30）内，内侧与污水接触，外侧与空气接触；氮磷结晶阴极（28）的基体材料为石墨毡或碳毡，内侧涂有Nafion隔膜层，外侧涂有PTFE防水涂层和铂碳催化剂涂层。
8.根据权利要求2所述的同步污水处理和氮磷回收的生物电化学装置，其特征在于：所述集泥斗（2）底部倾角α为45-65°，浮动式载泥板（4）与集泥斗（2）初始夹角γ为15-20°。
9.根据权利要求4所述的同步污水处理和氮磷回收的生物电化学装置，其特征在于：所述刮泥铲（29）与氮磷结晶阴极（28）夹角β为135°。
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