CN113149343A - 一种电化学脱氮除磷装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于废水处理技术领域，公开了一种电化学脱氮除磷装置及方法。该装置包括三维电催化氧化单元反应器、三维电生物耦合单元反应器、轻质滤料滤池单元反应器和三维电絮凝除磷单元反应器；总进水管、三维电催化氧化单元反应器、三维电生物耦合单元反应器、轻质滤料滤池单元反应器依次连接；轻质滤料滤池单元反应器的出水管分别与总出水管和三维电絮凝除磷单元反应器的进水管连接；三维电絮凝除磷单元反应器的出水管通过回流泵和止回阀与轻质滤料滤池单元反应器的进水管连接。各个反应器的池体的底部均设置有曝气管和放空管。本发明可通过电化学絮凝、电催化氧化和电活性微生物共同作用达到污水高效处理的目的，具有脱氮除磷效率高等优势。

Description

一种电化学脱氮除磷装置及方法
技术领域
本发明属于废水处理技术领域，具体地，涉及一种电化学脱氮除磷装置及方法。
背景技术
目前，各地污水处理排放标准日趋严格，敏感区水源地污染问题突出，治理需求紧迫。传统生物法脱氮除磷只有当原污水BOD5/TN值大于4～6，且BOD5/TP值大于20时才能同时满足生物脱氮除磷对碳源的需求，通常将COD<200mg/L，COD/TN<8的污水称为低碳源污水。对于氨氮含量很高且C/N比极低的高氨氮低碳源生活污水，应用生物脱氮除磷工艺会存在停留时间较长、碳源和碱度等药剂投加成本较高、污泥产量和耗氧量增加等问题，进一步增加分散污水处理工程投资运行成本和运维难度。因此，针对该种低碳源分散式生活污水开发一种经济高效的同步脱氮除磷污水处理工艺具有非常好的应用前景。
电化学氧化法由于占地面积少、可提高B/C、具有灭菌消毒的功能、受温度影响小、操作简单、易于控制、不产生污泥、不用外加药剂、产泥少以及绝大部分氨氮直接氧化为氮气等优点而引起广泛关注。其中二维电氧化因大多依靠阳极的间接氧化作用达到去除氨氮的目的，存在电流效率低和耗能大的缺点。现有研究中通过添加氯盐降低能耗的方法不能转化应用，而针对三维电极的研究逐步引起国内外重视。相对于传统的二维电极，三维电极法由于引入粒子电极，有效的增加了电极表面积和反应速率，反应速度更快，占地更小，且无需外加盐即可实现较低的能耗效率比，避免了二次污染，可单独或与其它技术联合使用，易于标准产品化。目前，优化三维电催化氧化技术的方法主要集中于开发高效的粒子电极、催化剂、极板板材和反应装置等，对运行控制系统的优化不够重视。而通过适当的手段，优化运行控制系统，使电催化氧化反应保持在高效段进行，在实际工程应用中具有更大的可操作性，因此，基于三维电催化氧化脱氨技术开发一种经济高效的分散式污水预处理脱氨的装置及方法具有重要现实意义。
电生物耦合工艺是将电化学作用以及生物作用相互结合，外加电场强化环境下，随着场强的适当增加，微生物酶系统活性将被增强，酶促反应速率提高，有利于提高微生物对污染物的处理能力；细胞有丝分裂周期缩短、增殖速率加快、生物群落中微生物生长繁殖速度加快；细胞膜通透性增强，适当的电场强度增强了基质流体的传质作用；电解过程中产生的H2还可被氢自养反硝化细菌利用发生反硝化反应。同时，系统中有机碳源还可以作为异养反硝化菌的电子供体。因此，该工艺运行可以节省碳源，适用于低C/N再生水的深度脱氮。国内外对电极-生物膜反应器处理污水进行了大量理论和应用研究，尚未进行产品化和工程化。因此，基于三维电生物耦合技术开发一种经济高效的分散式污水处理装置及方法具有重要现实意义。
二维电絮凝已经开始逐步在分散式污水除磷领域开始应用，然而其仍然存在能耗高，出水总磷无法达到较高的排放标准等问题。相比之下，三维电絮凝具有更高的电极比表面积，更低的能耗，更高的去除效率等优势。因此，基于三维电絮凝技术开发一种经济高效的污水处理除磷装置及方法具有重要现实意义。且磷在生物圈中大部分是单向流动的，而磷矿石的储量十分有限，我国磷矿储量中杂质含量低、品味高的磷矿预计将在未来的10～15年被开采完。因此开发污水中磷资源回收技术具有重要现实意义。
因此，基于目前的上述技术的发展现状，亟待提出一种具有良好应用前景的新型电化学脱氮除磷装置及方法。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提出一种电化学脱氮除磷装置及方法。本发明可通过电化学絮凝、电催化氧化和电活性微生物共同作用达到污水高效处理的目的，特别适用于高氨氮、低C/N比生活污水处理，具有脱氮除磷效率高、水力停留时间短、投资运行成本低、运行控制简单、受温度影响较小、节能环保等优势。
为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种电化学脱氮除磷装置，该装置包括三维电催化氧化单元反应器、三维电生物耦合单元反应器、轻质滤料滤池单元反应器和三维电絮凝除磷单元反应器；
总进水管、所述三维电催化氧化单元反应器、所述三维电生物耦合单元反应器、所述轻质滤料滤池单元反应器依次连接；
所述轻质滤料滤池单元反应器的出水管分别与总出水管和所述三维电絮凝除磷单元反应器的进水管连接；所述三维电絮凝除磷单元反应器的出水管通过回流泵和止回阀与所述轻质滤料滤池单元反应器的进水管连接。
所述三维电催化氧化单元反应器、三维电生物耦合单元反应器、轻质滤料滤池单元反应器和三维电絮凝除磷单元反应器的池体的底部均设置有曝气管和放空管。
本发明另一方面提供了一种电化学脱氮除磷方法，该方法采用所述的电化学脱氮除磷处理装置，包括如下步骤：
S1：启动所述三维电催化氧化单元反应器、三维电生物耦合单元反应器、轻质滤料滤池单元反应器和三维电絮凝除磷单元反应器；启动所述三维电催化氧化单元反应器、三维电生物耦合单元反应器和三维电絮凝除磷单元反应器的曝气管；启动所述第一电源、所述第二电源和所述第三电源；
S2：将污水从总进水管送入所述电化学脱氮除磷处理装置并依次经过所述三维电催化氧化单元反应器、所述三维电生物耦合单元反应器和所述轻质滤料滤池单元反应器；
S3：将所述轻质滤料滤池单元反应器的出水中的一部分从所述总出水管排出所述电化学脱氮除磷处理装置；将所述轻质滤料滤池单元反应器的出水中的另一部分送入所述三维电絮凝除磷单元反应器；将所述三维电絮凝除磷单元反应器的出水通过所述回流泵和所述止回阀回流至所述轻质滤料滤池单元反应器。
本发明的技术方案具有如下有益效果：
1、本发明通过电化学絮凝、电催化氧化和电活性微生物共同作用达到污水高效处理的目的，特别适用于高氨氮、低C/N比生活污水处理，相比传统生化工艺可显著降低碳源和碱度等药剂的消耗，可节约运行成本30～40％。
2、本发明采用电化学与生物作用耦合脱氮除磷工艺可使得总水力停留时间降低至10h以内，显著降低工程建设成本。
3、本发明可采用双向脉冲电源，其不仅有效防止电极钝化，而且相比普通电源可降低15-35％电耗。
4、本发明的三维电絮凝除磷单元反应器牺牲的电极为粒子电极，相比消耗电极板的电絮凝系统，具有处理效果好，能耗低，粒子电极易于补充更换等优点。
5、本发明的总氮及总磷去除效率高，工程建设和运行成本较低，通过采用电化学絮凝、电催化氧化和电活性微生物共同作用，可显著增强对分散式高氨氮低碳源生活污水的除磷脱氮效果，同时用本发明的装置和方法处理污水后的污泥产量少，可节省剩余污泥处理费用。
6.本发明可在一定程度上回收磷资源，使污水中的磷转化为磷肥，具有一定的经济价值。
本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了本发明实施例1提供的一种电化学脱氮除磷装置的示意图。
图2示出了本发明实施例1提供的一种电化学脱氮除磷装置的三维电催化氧化单元反应器的示意图。
图3示出了本发明实施例1提供的一种电化学脱氮除磷装置的三维电生物耦合单元反应器的示意图。
图4示出了本发明实施例1提供的一种电化学脱氮除磷装置的轻质滤料滤池单元反应器的示意图。
图5示出了本发明实施例1提供的一种电化学脱氮除磷装置的三维电絮凝除磷单元反应器的示意图。
附图标记说明如下：
1-三维电催化氧化单元反应器，2-三维电生物耦合单元反应器，3-轻质滤料滤池单元反应器，4-三维电絮凝除磷单元反应器，5-第一阳极板，6-第一阴极板，7-第一粒子电极，8-第二粒子电极，9-轻质滤料，10-第三粒子电极，11-第一电源，12-第二电源，13-第三电源，14-第一下滤板，15-滤料筐支架，16-滤料筐，17-总进水管，18-回流管，19-曝气管，20-放空管，21-回流泵，22-止回阀，23-第二阳极板，24-第二阴极板，25-第三阳极板，26-第三阴极板，27-总出水管，28-三维电催化氧化单元反应器的进水管，29-三维电催化氧化单元反应器的出水管，30-三维电生物耦合单元反应器的进水管，31-三维电生物耦合单元反应器的出水管，32-轻质滤料滤池单元反应器的进水管，33-轻质滤料滤池单元反应器的出水管，34-三维电絮凝除磷单元反应器的进水管，35-三维电絮凝除磷单元反应器的出水管，36-第二下滤板，37-第三下滤板，38-第一上滤板。
具体实施方式
下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
本发明一方面提供了一种电化学脱氮除磷装置，该装置包括三维电催化氧化单元反应器、三维电生物耦合单元反应器、轻质滤料滤池单元反应器和三维电絮凝除磷单元反应器；
总进水管、所述三维电催化氧化单元反应器、所述三维电生物耦合单元反应器、所述轻质滤料滤池单元反应器依次连接；
所述轻质滤料滤池单元反应器的出水管分别与总出水管和所述三维电絮凝除磷单元反应器的进水管连接；所述三维电絮凝除磷单元反应器的出水管通过回流泵和止回阀与所述轻质滤料滤池单元反应器的进水管连接。
所述三维电催化氧化单元反应器、三维电生物耦合单元反应器、轻质滤料滤池单元反应器和三维电絮凝除磷单元反应器的池体的底部均设置有曝气管和放空管。
根据本发明，优选地，所述三维电催化氧化单元反应器、三维电生物耦合单元反应器、轻质滤料滤池单元反应器和三维电絮凝除磷单元反应器的池体材质均为高分子类绝缘材质。
根据本发明，优选地，
所述三维电催化氧化单元反应器的进水管设置于所述三维电催化氧化单元反应器池体的上部或下部，所述三维电催化氧化单元反应器的出水管与所述三维电催化氧化单元反应器的进水管呈对角线设置；
所述三维电催化氧化单元反应器的进水管与出水管之间设有多组第一阴极板、多组第一阳极板、第一粒子电极和第一下滤板；所述多组第一阴极板和多组第一阳极板交叉设置，并分别与第一电源的负极和正极用电缆连接；所述第一粒子电极分布设置于所述多组第一阴极板和多组第一阳极板之间；所述第一下滤板设置于所述多组第一阴极板和多组第一阳极板的下端。
根据本发明，优选地，
所述三维电生物耦合单元反应器的进水管设置于所述三维电生物耦合单元反应器池体的上部或下部，所述三维电生物耦合单元反应器的出水管与所述三维电生物耦合单元反应器的进水管呈对角线设置；
所述三维电生物耦合单元反应器的进水管与出水管之间设有多组第二阴极板、多组第二阳极板、第二粒子电极和第二下滤板；所述多组第二阴极板和多组第二阳极板交叉设置，并分别与第二电源的负极和正极用电缆连接；所述第二粒子电极分布设置于所述多组第二阴极板和多组第二阳极板之间；所述第二下滤板设置于所述多组第二阴极板和多组第二阳极板的下端。
根据本发明，优选地，
所述轻质滤料滤池单元反应器的出水管通过回流管连接所述三维电絮凝除磷单元反应器的进水管；
所述轻质滤料滤池单元反应器的进水管设置于所述轻质滤料滤池单元反应器池体的上部或下部，所述轻质滤料滤池单元反应器的出水管与所述轻质滤料滤池单元反应器的进水管呈对角线设置；
所述轻质滤料滤池单元反应器的进水管与出水管之间设有第三下滤板和第一上滤板，以及设置于所述第三下滤板和第一上滤板之间的轻质滤料。
根据本发明，优选地，所述三维电絮凝除磷单元反应器的进水管与出水管分别设置于所述三维电絮凝除磷单元反应器池体上部的两侧；所述三维电絮凝除磷单元反应器池体内靠近所述三维电絮凝除磷单元反应器的进水管的位置活动设置有滤料筐；所述滤料筐内设置有第三粒子电极；所述滤料筐的相对的两侧设置有多组第三阴极板和多组第三阳极板，所述多组第三阴极板和多组第三阳极板分别与第三电源的负极和正极用电缆连接；所述滤料筐、多组第三阴极板和多组第三阳极板的底沿通过滤料筐支架与所述三维电絮凝除磷单元反应器池体底部形成液体通道。
根据本发明，优选地，所述第一阴极板、所述第二阴极板和所述第三阴极板各自独立地选自钛电极、钛基金属氧化物涂层电极或不锈钢电极；所述第一阳极板、所述第二阳极板和所述第三阳极板各自独立地选自钛电极或钛基金属氧化物涂层电极；优选地，所述金属氧化物涂层为二氧化锡、氧化锌、二氧化钛和稀土金属氧化物中的至少两种。
根据本发明，优选地，所述第一阴极板与所述第一阳极板之间的电极间距和所述第二阴极板与所述第二阳极板之间的电极间距各自独立地为10-200mm。
根据本发明，优选地，所述第一阴极板、所述第二阴极板、所述第三阴极板、所述第一阳极板、所述第二阳极板和所述第三阳极板各自独立地选自平板、网板、穿孔板或栅条板。
根据本发明，优选地，所述第一粒子电极为复合型催化三维粒子电极，优选地，所述复合型催化三维粒子为负载或掺杂多元催化剂的生物质活性炭或煤质活性炭颗粒，进一步优选地，所述催化剂为二氧化锡、氧化锌、二氧化钛和稀土金属氧化物中的至少两种；所述第一粒子电极的粒径为3-5mm。
根据本发明，优选地，所述第二粒子电极为生物质活性炭颗粒或煤质活性炭颗粒，所述第二粒子电极的粒径为5-10mm。
根据本发明，优选地，所述轻质滤料的材质为聚氨酯、聚丙烯和聚乙烯中的至少一种，所述轻质滤料的粒径为15-25mm，空隙密度为10-40PPI，比表面积为500-2000m2/m3。
根据本发明，优选地，所述第三粒子电极为金属颗粒，优选为镁、铝、铁和它们的合金颗粒中的至少一种；所述第三粒子电极的粒径为10-20mm。
根据本发明，优选地，所述滤料筐为高分子绝缘材质孔板。
在本发明中，所述滤料筐可从所述三维电絮凝除磷单元反应器中取出，以补充、更换第三粒子电极，以及清洗滤料筐和其内的第三粒子电极以回收磷资源。
本发明另一方面提供了一种电化学脱氮除磷方法，该方法采用所述的电化学脱氮除磷处理装置，包括如下步骤：
S1：启动所述三维电催化氧化单元反应器、三维电生物耦合单元反应器、轻质滤料滤池单元反应器和三维电絮凝除磷单元反应器；启动所述三维电催化氧化单元反应器、三维电生物耦合单元反应器和三维电絮凝除磷单元反应器的曝气管；启动所述第一电源、所述第二电源和所述第三电源；
S2：将污水从总进水管送入所述电化学脱氮除磷处理装置并依次经过所述三维电催化氧化单元反应器、所述三维电生物耦合单元反应器和所述轻质滤料滤池单元反应器；
S3：将所述轻质滤料滤池单元反应器的出水中的一部分从所述总出水管排出所述电化学脱氮除磷处理装置；将所述轻质滤料滤池单元反应器的出水中的另一部分送入所述三维电絮凝除磷单元反应器；将所述三维电絮凝除磷单元反应器的出水通过所述回流泵和所述止回阀回流至所述轻质滤料滤池单元反应器。
根据本发明，优选地，所述三维电催化氧化单元反应器的出水中氨氮去除率为40-60％。所述三维电催化氧化单元反应器的运行参数(包括所述三维电催化氧化单元反应器运行时的曝气量)根据所述三维电催化氧化单元反应器的出水中氨氮去除率确定。
根据本发明，优选地，所述方法还包括对所述三维电催化氧化单元反应器的冲洗，所述冲洗的频率为每3-7天冲洗一次，维持水力通畅，所述冲洗的方法包括将所述三维电催化氧化单元反应器运行时的曝气量调高至气水比(10-20)：1。
在本发明中，污水从总进水管送入所述三维电催化氧化单元反应器，在催化氧化作用下，污水中的氨氮得到氧化主要转变为氮气而直接去除，难生物降解有机物转变为易生物降解有机物，从而提高了污水可生化性。
根据本发明，优选地，所述三维电生物耦合单元反应器的启动的程序包括挂膜和驯化。
根据本发明，优选地，所述挂膜的方法包括将接种物送入所述三维电生物耦合单元反应器内，并向所述三维电生物耦合单元反应器中通入所述三维电催化氧化单元反应器的出水，直至所述第二粒子电极表面形成稳定的生物膜；优选地，所述接种物为经培育的特殊电活性生物菌剂和/或去除杂质的城镇污水处理厂曝气池活性污泥；优选地，所述三维电生物耦合单元反应器内的菌群为肠杆菌和/或假单胞菌。
根据本发明，优选地，所述驯化的方法包括间歇向所述三维电生物耦合单元反应器中通入所述三维电催化氧化单元反应器的出水，按时测定所述三维电生物耦合单元反应器的出水水质变化，并观察所述第二粒子电极表面形成的生物膜的颜色，直至其变为深棕色；优选地，向所述三维电生物耦合单元反应器进水时的所述第二电源的工作电压为12-36V，停止向所述三维电生物耦合单元反应器进水时的所述第二电源的保护电压为5-12V，以节约能耗。
根据本发明，优选地，所述三维电生物耦合单元反应器的出水中氨氮＜1.5mg/L，COD＜30mg/L。所述三维电生物耦合单元反应器的运行参数(包括所述三维电生物耦合单元反应器运行时的曝气量)根据所述三维电生物耦合单元反应器的出水中氨氮浓度确定。
根据本发明，优选地，所述方法还包括对所述三维电生物耦合单元反应器的冲洗，所述冲洗的频率为每1-3天冲洗一次，所述冲洗的方法包括将所述三维电生物耦合单元反应器运行时的曝气量调高至气水比(10-20)：1。所述冲洗的目的在于维持生物膜更新。
在本发明中，污水从所述三维电催化氧化单元反应器进入所述三维电生物耦合单元反应器，所述第二粒子电极的颗粒内部生长有电活性微生物，通过产电子、噬电子维持生物活性的同时降解所述三维电催化氧化单元反应器出水中的污染物。
根据本发明，优选地，所述方法还包括对所述轻质滤料滤池单元反应器的反洗，所述反洗的频率为每1-3天反洗一次，所述反洗的方法包括将所述污水处理完成后，依次开启所述轻质滤料滤池单元反应器的曝气管、放空管。待所述放空管放空完毕后，关闭放空管和曝气管，开始重新进水。优选地，所述轻质滤料滤池单元反应器的曝气管的运行时间为10-15min。
根据本发明，优选地，所述电化学脱氮除磷处理装置的出水中总磷浓度小于0.5mg/L，所述三维电絮凝除磷单元反应器的运行参数(包括所述三维电絮凝除磷单元反应器运行时的曝气量)根据所述电化学脱氮除磷处理装置的总出水中总磷的浓度确定。
根据本发明，优选地，所述方法还包括对所述三维电絮凝除磷单元反应器的清洗，所述清洗的频率每7-14天清洗一次，所述清洗的方法包括将所述三维电絮凝除磷单元反应器的滤料筐和其内的第三粒子电极取出，使用超声波清洗机对其进行清洗并获得清洗下的结晶固体；优选地，所述清洗下的结晶固体为MgNH4PO4·6H2O、Mg3(PO4)2和Mg(OH)2中的至少一种。其中MgNH4PO4·6H2O和/或Mg3(PO4)2可作为磷肥使用。
在本发明中，所述三维电絮凝除磷单元反应器在电流作用下，第三粒子电极溶出有絮凝作用的金属离子，与污水中污染物产生絮凝反应，从而使污水中的磷和胶体等形成不溶物，将其截留在滤料筐内，并且其反应底物之一为NH4 +，可进一步去除污水中残留的NH4 +-N，另一部分溶出的金属离子通过所述回流泵随所述三维电絮凝除磷单元反应器的出水回流至所述轻质滤料滤池单元反应器，提高所述轻质滤料滤池单元反应器的去除效率。所述轻质滤料滤池单元反应器通过快速絮凝反应和过滤作用去除各种悬浮物。
根据本发明，优选地，所述第一电源、所述第二电源和所述第三电源各自独立地为恒压源、恒流源、单向脉冲源或双向脉冲源；优选地，所述双向脉冲源的占空比为50％-90％，脉冲频率为0.01-0.1Hz，电压为5-36V，通电时间为≥5min，倒极时间为≤10min；优选地，所述恒压源或恒流源的电压各自独立地为5-36V。
本发明中，作为优选方案，所述三维电催化氧化单元反应器的电源为双向脉冲电源，所述三维电催化氧化单元反应器的双向脉冲电源的运行方法为进水时工作，停止进水时待机以节约能耗；所述三维电生物耦合单元反应器的电源为直流稳压电源；所述三维电絮凝除磷单元反应器的电源为双向脉冲电源，所述三维电絮凝除磷单元反应器的双向脉冲电源的运行方法为进水时工作，停止进水时待机，以节约能耗。
以下通过实施例具体说明本发明。
实施例1
本实施例提供一种电化学脱氮除磷装置，如图1-5所示，该装置包括三维电催化氧化单元反应器1、三维电生物耦合单元反应器2、轻质滤料滤池单元反应器3和三维电絮凝除磷单元反应器4；
总进水管17、所述三维电催化氧化单元反应器1、所述三维电生物耦合单元反应器2、所述轻质滤料滤池单元反应器3依次连接；所述轻质滤料滤池单元反应器的出水管33分别与总出水管17和所述三维电絮凝除磷单元反应器的进水管34连接；所述三维电絮凝除磷单元反应器的出水管35通过回流泵21和止回阀22与所述轻质滤料滤池单元反应器的进水管32连接。所述三维电催化氧化单元反应器1、三维电生物耦合单元反应器2、轻质滤料滤池单元反应器3和三维电絮凝除磷单元反应器4的池体的底部均设置有曝气管19和放空管20。所述三维电催化氧化单元反应器1、三维电生物耦合单元反应器2、轻质滤料滤池单元反应器3和三维电絮凝除磷单元反应器4的池体材质均为高分子类绝缘材质。
所述三维电催化氧化单元反应器1采用下向流，所述三维电催化氧化单元反应器的进水管28设置于所述三维电催化氧化单元反应器1池体的上部，所述三维电催化氧化单元反应器的出水管29设置于所述三维电催化氧化单元反应器1池体的下部；所述三维电催化氧化单元反应器的进水管28与出水管29之间设有多组第一阴极板6、多组第一阳极板5、第一粒子电极7和第一下滤板14；所述多组第一阴极板6和多组第一阳极板5交叉设置，并分别与第一电源11的负极和正极用电缆连接；所述第一粒子电极7分布设置于所述多组第一阴极板6和多组第一阳极板5之间；所述第一下滤板14设置于所述多组第一阴极板6和多组第一阳极板5的下端；所述第一阴极板6与所述第一阳极板5之间的电极间距为200mm；所述第一阴极板6为不锈钢电极网板，所述第一阳极板5为钛基二氧化钛涂层网板；所述第一粒子电极7采用负载二氧化钛的杏壳活性碳颗粒，其粒径为5mm；
所述三维电生物耦合单元反应器2采用下向流，所述三维电生物耦合单元反应器的进水管30设置于所述三维电生物耦合单元反应器2池体的上部，所述三维电生物耦合单元反应器的出水管31设置于所述三维电生物耦合单元反应器2池体的下部；所述三维电生物耦合单元反应器的进水管30与出水管31之间设有多组第二阴极板24、多组第二阳极板25、第二粒子电极8和第二下滤板36；所述多组第二阴极板24和多组第二阳极板25交叉设置，并分别与第二电源12的负极和正极用电缆连接；所述第二粒子电极8分布设置于所述多组第二阴极板24和多组第二阳极板25之间；所述第二下滤板36设置于所述多组第二阴极板24和多组第二阳极板25的下端；所述第二阴极板24与所述第二阳极板25之间的电极间距为200mm；所述第二阴极板24为不锈钢网板，所述第二阳极板25为钛基二氧化钛涂层网板；所述第二粒子电极8采用为煤质活性炭颗粒，其粒径为10mm；
所述轻质滤料滤池单元反应器3为上向流，所述轻质滤料滤池单元反应器的出水管33通过回流管18连接所述三维电絮凝除磷单元反应器的进水管34；所述轻质滤料滤池单元反应器的进水管32设置于所述轻质滤料滤池单元反应器3池体的下部，所述轻质滤料滤池单元反应器的出水管33设置于所述轻质滤料滤池单元反应器3池体的上部；所述轻质滤料滤池单元反应器的进水管32与出水管33之间设有第三下滤板37和第一上滤板38，以及设置于所述第三下滤板37和第一上滤板38之间的轻质滤料9；所述轻质滤料9的材质为聚氨酯海绵，粒径为25mm；
所述三维电絮凝除磷单元反应器的进水管34与出水管35分别设置于所述三维电絮凝除磷单元反应器4池体上部的两侧；所述三维电絮凝除磷单元反应器4池体内靠近所述三维电絮凝除磷单元反应器的进水管34的位置活动设置有滤料筐16；所述滤料筐16内设置有第三粒子电极10；所述滤料筐16的相对的两侧设置有多组第三阴极板26和多组第三阳极板25，所述多组第三阴极板26和多组第三阳极板25分别与第三电源13的负极和正极用电缆连接；所述滤料筐16、多组第三阴极板26和多组第三阳极板25的底沿通过滤料筐支架15与所述三维电絮凝除磷单元反应器4池体底部形成液体通道。所述第三阴极板26为不锈钢电极网板，所述第三阳极板25为钛基二氧化钛涂层网板；所述第三粒子电极10采用镁铝合金颗粒，粒径20mm；所述滤料筐16为高分子绝缘材质孔板。
实施例2
本实施例提供一种电化学脱氮除磷方法，该方法采用实施例1所述的电化学脱氮除磷处理装置，该方法用于处理某高速服务区分散式生活污水，所述某高速服务区分散式生活污水是一类排放水量小和生化成本较高的分散式生活污水，其典型水质特征为：COD＝300mg/L、NH4+-N＝80mg/L、TN＝120mg/L、TP＝15mg/L，COD/TN＝2.5。
该方法包括如下步骤：
S1：启动所述三维电催化氧化单元反应器1、三维电生物耦合单元反应器2、轻质滤料滤池单元反应器3和三维电絮凝除磷单元反应器4；启动所述三维电催化氧化单元反应器1、三维电生物耦合单元反应器2和三维电絮凝除磷单元反应器3的曝气管19；启动所述第一电源11、所述第二电源12和所述第三电源13；
所述第一电源11为双向脉冲电源，其运行参数包括：占空比40％，频率0.04Hz，电压20V；所述第二电源12为直流稳压电源，其电压为24V；所述第三电源13为双向脉冲电源，其运行参数包括：占空比40％，频率0.04Hz，电压20V；
S2：将污水从总进水管27送入所述电化学脱氮除磷处理装置并依次经过所述三维电催化氧化单元反应器1、所述三维电生物耦合单元反应器2和所述轻质滤料滤池单元反应器3；
所述三维电生物耦合单元反应器2的启动程序包括挂膜和驯化。所述挂膜的方法包括将接种物送入所述三维电生物耦合单元反应器2内，并向所述三维电生物耦合单元反应器2中通入所述三维电催化氧化单元反应器2的出水，直至所述第二粒子电极8表面形成稳定的生物膜；所述接种物为去除杂质的城镇污水处理厂曝气池活性污泥；所述驯化的方法包括间歇向所述三维电生物耦合单元反应器2中通入所述三维电催化氧化单元反应器2的出水，按时测定所述三维电生物耦合单元反应器2的出水水质变化，并观察所述第二粒子电极8表面形成的生物膜的颜色，直至其变为深棕色；其中，向所述三维电生物耦合单元反应器2进水时的所述第二电源12的工作电压为12-36V，停止向所述三维电生物耦合单元反应器2进水时的所述第二电源12的保护电压为5-12V，以节约能耗。
S3：将所述轻质滤料滤池单元反应器3的出水中的一部分从所述总出水管27排出所述电化学脱氮除磷处理装置；将所述轻质滤料滤池单元反应器3的出水中的另一部分送入所述三维电絮凝除磷单元反应器4；将所述三维电絮凝除磷单元反应器4的出水通过所述回流泵21和所述止回阀22回流至所述轻质滤料滤池单元反应器3。
所述方法还包括：(1)对所述三维电催化氧化单元反应器1的冲洗，所述冲洗的频率为每3-7天冲洗一次，维持水力通畅，所述冲洗的方法包括将所述三维电催化氧化单元反应器1运行时的曝气量调高至气水比10：1。(2)对所述三维电生物耦合单元反应器2的冲洗，所述冲洗的频率为每1-3天冲洗一次，所述冲洗的方法包括将所述三维电生物耦合单元反应器2运行时的曝气量调高至气水比10：1。所述冲洗的目的在于维持生物膜更新。(3)对所述轻质滤料滤池单元反应器3的反洗，所述反洗的频率为每1-3天反洗一次，所述反洗的方法包括将所述污水处理完成后，依次开启所述轻质滤料滤池单元反应器3的曝气管19、放空管20。待所述放空管20放空完毕后，关闭放空管20和曝气管19，开始重新进水。所述轻质滤料滤池单元反应器3的曝气管19的运行时间为10min。(4)对所述三维电絮凝除磷单元反应器的清洗，所述清洗的频率每7-14天清洗一次，所述清洗的方法包括将所述三维电絮凝除磷单元反应器的滤料筐和其内的第三粒子电极取出，使用超声波清洗机对其进行清洗并获得清洗下的结晶固体。所述清洗下的结晶固体为MgNH4PO4·6H2O、Mg3(PO4)2和Mg(OH)2中的至少一种，其中MgNH4PO4·6H2O、Mg3(PO4)2可作为磷肥使用。
所述电化学脱氮除磷处理装置的出水水质：COD平均值28mg/L，平均去除率90％，NH4+-N均值为0.8mg/L，平均去除率99％，TN平均值13mg/L，平均去除率89％，TP平均值0.4mg/L，平均去除率97％，所述电化学脱氮除磷处理装置的出水除污染物冲击负荷外，可稳定达到北京地方标准(DB11/1612-2019)中一级A，本发明的电化学脱氮除磷技术相比二维电催化氧化技术可节约电耗40％以上，本发明的处理成本与传统生化处理方式相比基本持平，运行控制简单，污泥产量减少60％以上。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (10)

1.一种电化学脱氮除磷装置，其特征在于，该装置包括三维电催化氧化单元反应器、三维电生物耦合单元反应器、轻质滤料滤池单元反应器和三维电絮凝除磷单元反应器；
总进水管、所述三维电催化氧化单元反应器、所述三维电生物耦合单元反应器、所述轻质滤料滤池单元反应器依次连接；
所述轻质滤料滤池单元反应器的出水管分别与总出水管和所述三维电絮凝除磷单元反应器的进水管连接；所述三维电絮凝除磷单元反应器的出水管通过回流泵和止回阀与所述轻质滤料滤池单元反应器的进水管连接。
所述三维电催化氧化单元反应器、三维电生物耦合单元反应器、轻质滤料滤池单元反应器和三维电絮凝除磷单元反应器的池体的底部均设置有曝气管和放空管。
2.根据权利要求1所述的电化学脱氮除磷装置，其中，所述三维电催化氧化单元反应器、三维电生物耦合单元反应器、轻质滤料滤池单元反应器和三维电絮凝除磷单元反应器的池体材质均为高分子类绝缘材质。
3.根据权利要求1或2所述的电化学脱氮除磷装置，其中，
所述三维电催化氧化单元反应器的进水管设置于所述三维电催化氧化单元反应器池体的上部或下部，所述三维电催化氧化单元反应器的出水管与所述三维电催化氧化单元反应器的进水管呈对角线设置；
所述三维电催化氧化单元反应器的进水管与出水管之间设有多组第一阴极板、多组第一阳极板、第一粒子电极和第一下滤板；所述多组第一阴极板和多组第一阳极板交叉设置，并分别与第一电源的负极和正极用电缆连接；所述第一粒子电极分布设置于所述多组第一阴极板和多组第一阳极板之间；所述第一下滤板设置于所述多组第一阴极板和多组第一阳极板的下端；
所述三维电生物耦合单元反应器的进水管设置于所述三维电生物耦合单元反应器池体的上部或下部，所述三维电生物耦合单元反应器的出水管与所述三维电生物耦合单元反应器的进水管呈对角线设置；
所述三维电生物耦合单元反应器的进水管与出水管之间设有多组第二阴极板、多组第二阳极板、第二粒子电极和第二下滤板；所述多组第二阴极板和多组第二阳极板交叉设置，并分别与第二电源的负极和正极用电缆连接；所述第二粒子电极分布设置于所述多组第二阴极板和多组第二阳极板之间；所述第二下滤板设置于所述多组第二阴极板和多组第二阳极板的下端；
所述轻质滤料滤池单元反应器的出水管通过回流管连接所述三维电絮凝除磷单元反应器的进水管；
所述轻质滤料滤池单元反应器的进水管设置于所述轻质滤料滤池单元反应器池体的上部或下部，所述轻质滤料滤池单元反应器的出水管与所述轻质滤料滤池单元反应器的进水管呈对角线设置；
所述轻质滤料滤池单元反应器的进水管与出水管之间设有第三下滤板和第一上滤板，以及设置于所述第三下滤板和第一上滤板之间的轻质滤料；
所述三维电絮凝除磷单元反应器的进水管与出水管分别设置于所述三维电絮凝除磷单元反应器池体上部的两侧；所述三维电絮凝除磷单元反应器池体内靠近所述三维电絮凝除磷单元反应器的进水管的位置活动设置有滤料筐；所述滤料筐内设置有第三粒子电极；所述滤料筐的相对的两侧设置有多组第三阴极板和多组第三阳极板，所述多组第三阴极板和多组第三阳极板分别与第三电源的负极和正极用电缆连接；所述滤料筐、多组第三阴极板和多组第三阳极板的底沿通过滤料筐支架与所述三维电絮凝除磷单元反应器池体底部形成液体通道。
4.根据权利要求3所述的电化学脱氮除磷装置，其中，
所述第一阴极板、所述第二阴极板和所述第三阴极板各自独立地选自钛电极、钛基金属氧化物涂层电极或不锈钢电极；所述第一阳极板、所述第二阳极板和所述第三阳极板各自独立地选自钛电极或钛基金属氧化物涂层电极；优选地，所述金属氧化物涂层为二氧化锡、氧化锌、二氧化钛和稀土金属氧化物中的至少两种；
所述第一阴极板与所述第一阳极板之间的电极间距和所述第二阴极板与所述第二阳极板之间的电极间距各自独立地为10-200mm；
所述第一阴极板、所述第二阴极板、所述第三阴极板、所述第一阳极板、所述第二阳极板和所述第三阳极板各自独立地选自平板、网板、穿孔板或栅条板；
所述第一粒子电极为复合型催化三维粒子电极，优选地，所述复合型催化三维粒子为负载或掺杂多元催化剂的生物质活性炭或煤质活性炭颗粒，进一步优选地，所述催化剂为二氧化锡、氧化锌、二氧化钛和稀土金属氧化物中的至少两种；所述第一粒子电极的粒径为3-5mm；
所述第二粒子电极为生物质活性炭颗粒或煤质活性炭颗粒，所述第二粒子电极的粒径为5-10mm；
所述轻质滤料的材质为聚氨酯海绵、聚丙烯海绵和聚乙烯海绵中的至少一种，所述轻质滤料的粒径为15-25mm，空隙密度为10-40PPI，比表面积为500-2000m2/m3；
所述第三粒子电极为金属颗粒，优选为镁、铝、铁和它们的合金颗粒中的至少一种；所述第三粒子电极的粒径为10-20mm；
所述滤料筐为高分子绝缘材质孔板。
5.一种电化学脱氮除磷方法，其特征在于，该方法采用权利要求1-4中任意一项所述的电化学脱氮除磷处理装置，包括如下步骤：
S1：启动所述三维电催化氧化单元反应器、三维电生物耦合单元反应器、轻质滤料滤池单元反应器和三维电絮凝除磷单元反应器；启动所述三维电催化氧化单元反应器、三维电生物耦合单元反应器和三维电絮凝除磷单元反应器的曝气管；启动所述第一电源、所述第二电源和所述第三电源；
S2：将污水从总进水管送入所述电化学脱氮除磷处理装置并依次经过所述三维电催化氧化单元反应器、所述三维电生物耦合单元反应器和所述轻质滤料滤池单元反应器；
S3：将所述轻质滤料滤池单元反应器的出水中的一部分从所述总出水管排出所述电化学脱氮除磷处理装置；将所述轻质滤料滤池单元反应器的出水中的另一部分送入所述三维电絮凝除磷单元反应器；将所述三维电絮凝除磷单元反应器的出水通过所述回流泵和所述止回阀回流至所述轻质滤料滤池单元反应器。
6.根据权利要求5所述的电化学脱氮除磷方法，其中，
所述三维电催化氧化单元反应器的出水中氨氮去除率为40-60％；
所述方法还包括对所述三维电催化氧化单元反应器的冲洗，所述冲洗的频率为每3-7天冲洗一次，所述冲洗的方法包括将所述三维电催化氧化单元反应器运行时的曝气量调高至气水比(10-20)：1。
7.根据权利要求5所述的电化学脱氮除磷方法，其中，
所述三维电生物耦合单元反应器的启动的程序包括挂膜和驯化；
所述挂膜的方法包括将接种物送入所述三维电生物耦合单元反应器内，并向所述三维电生物耦合单元反应器中通入所述三维电催化氧化单元反应器的出水，直至所述第二粒子电极表面形成稳定的生物膜；
优选地，所述接种物为经培育的特殊电活性生物菌剂和/或去除杂质的城镇污水处理厂曝气池活性污泥；
优选地，所述三维电生物耦合单元反应器内的菌群为肠杆菌和/或假单胞菌；
所述驯化的方法包括间歇向所述三维电生物耦合单元反应器中通入所述三维电催化氧化单元反应器的出水，按时测定所述三维电生物耦合单元反应器的出水水质变化，并观察所述第二粒子电极表面形成的生物膜的颜色，直至其变为深棕色；优选地，向所述三维电生物耦合单元反应器进水时的所述第二电源的工作电压为12-36V，停止向所述三维电生物耦合单元反应器进水时的所述第二电源的保护电压为5-12V；
所述三维电生物耦合单元反应器的出水中氨氮＜1.5mg/L，COD＜30mg/L；
所述方法还包括对所述三维电生物耦合单元反应器的冲洗，所述冲洗的频率为每1-3天冲洗一次，所述冲洗的方法包括将所述三维电生物耦合单元反应器运行时的曝气量调高至气水比(10-20)：1。
8.根据权利要求5所述的电化学脱氮除磷方法，其中，所述方法还包括对所述轻质滤料滤池单元反应器的反洗，所述反洗的频率为每1-3天反洗一次，所述反洗的方法包括将所述污水处理完成后，依次开启所述轻质滤料滤池单元反应器的曝气管、放空管；优选地，所述轻质滤料滤池单元反应器的曝气管的运行时间为10-15min。
9.根据权利要求5所述的电化学脱氮除磷方法，其中，
所述方法还包括对所述三维电絮凝除磷单元反应器的清洗，所述清洗的频率每7-14天清洗一次，所述清洗的方法包括将所述三维电絮凝除磷单元反应器的滤料筐和其内的第三粒子电极取出，使用超声波清洗机对其进行清洗并获得清洗下的结晶固体；
优选地，所述清洗下的结晶固体为MgNH4PO4·6H2O、Mg3(PO4)2和Mg(OH)2中的至少一种；
所述电化学脱氮除磷处理装置的出水中总磷浓度小于0.5mg/L，所述三维电絮凝除磷单元反应器的运行参数根据所述电化学脱氮除磷处理装置的总出水中总磷的浓度确定。
10.根据权利要求5所述的电化学脱氮除磷方法，其中，所述第一电源、所述第二电源和所述第三电源各自独立地为恒压源、恒流源、单向脉冲源或双向脉冲源；
优选地，所述双向脉冲源的占空比为40％-90％，脉冲频率为0.01-0.1Hz，电压为5-36V，通电时间为≥5min，倒极时间为≤10min；
优选地，所述恒压源或恒流源的电压各自独立地为5-36V。
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