CN115180772A - 一种实现废水磷超低排放的复合生物电极及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实现废水磷超低排放的复合生物电极及应用，属于水污染控制技术领域。本发明基于水处理UCT工艺在厌氧池设置复合生物电极，构建以厌氧‑电场耦合为核心的生化反应体系，对复合生物电极予以修饰处理，并根据厌氧池进水磷浓度设置不同的电极对组合方式。废水流经厌氧池复合生物阴极框体时，水体中磷酸盐被填充于框体的基体材料吸附并从生物阴极得到电子转化为气态含磷化合物，水体中磷酸盐含量明显降低，UCT工艺最终出水磷含量可降低至0.04mg/L。
Description
技术领域
本发明涉及一种实现废水磷超低排放的复合生物电极及应用，属于废水处理技术领域。
背景技术
污水中的磷通常源于化肥和农业废弃物，生活中含磷洗涤剂的大量使用也使得生活污水中磷含量显著增加。对于水体富营养化而言，磷的影响更为明显，水体中磷处于低浓度时，即使氮浓度能够满足藻类生长所需，其生产能力也会明显受到遏抑。因此，废水除磷对水体富营养化的预防具有重要作用。国际上一般认为湖泊水体富营养化阈值为TN（总氮）0.2mg/L、TP 0.02mg/L，即使遵照现行污水处理污染物排放标准，出水磷含量也是以上临界值的十几倍。鉴于此，有学者建议，应对湖泊、海湾等脆弱水体制定更为严格的氮、磷等污染物排放标准。目前，昆明市地方标准《城镇污水处理厂主要水污染物排放限值》（DB5301/T43-2020）明确规定：生态环境敏感区域的城镇污水处理厂执行A级排放限值，其中TP浓度为0.05mg/L，要实现水体中营养元素磷的超低排放，亟待开发新型、高效的废水生物除磷技术。
目前，常用的废水除磷方法可分为吸附、化学沉淀、生物处理三大类别。采用吸附法除磷时，水体中的磷通过物理吸附、离子交换或表面沉积作用转移至吸附剂上并从水体中得以去除，但存在吸附容量低、频繁再生等问题，该方法通常作为辅助手段与其它除磷方法结合使用。化学法除磷通过废水中投加金属盐以形成不溶性磷酸盐沉淀物，之后通过固液分离将其从水体中去除，具备除磷效率较高、工艺稳定等优势，但也存在运行费用高、产生化学污泥这类不足。相比而言，生物除磷技术应用颇为广泛，用于工程实践的生物除磷方式有人工湿地、厌氧/好氧水处理工艺。目前，常规废水生化系统受进水碳源不足、气温低等环境或操作条件限制，除磷效能难以有效提升；尽管采用生物处理+化学药剂相结合的方式，出水磷含量可降低至0.3 mg/L左右，但同时存在运行成本高、污泥产量大这类不足。
随着电化学技术的快速发展，采用外加电场、生物-电化学耦合这类方式去除废水中的污染物尤其是脱氮除磷的研究广受关注。已有专利ZL108358311B公开了“一种生物炭耦合微电流强化废水厌氧生物除磷的方法”，在厌氧消化池内投加粉状活性炭，在同时提供微电流的条件下强化除磷效果。该法操作并不复杂，除磷效果提升较为明显，但同时也存在连续运行条件下生物炭随水体流失而无法再生的不足之处。已有专利CN113860638A公开了“一种化学-电化学-生物三段式组合废水处理装置及应用”，通过投加铁盐去除水体中的磷酸盐，虽然也采用了电化学方法，但其本质还是化学沉淀除磷，存在产生污泥量大、过程复杂、成本高这类问题。基于磷酸盐还原菌将废水中的磷酸盐转化为气态含磷化合物，通过外加电场解决电子供体不足的问题，再通过碳基材料介导电子强化水体除磷效果，目前还未见与本申请相关的废水深度除磷技术方法。
发明内容
本发明提供一种实现废水磷超低排放的复合生物电极制备及应用。基于水处理UCT工艺，构建厌氧消化--复合生物电极的生物电化学系统（BES），利用吸附、电化学、生物多技术耦合原理将溶解性磷转化为气态含磷化合物。本发明所述复合生物阴极由网状极板制作成箱体并内部填充碳基材料所构成，增强基体材料对水体中磷酸盐的吸附、增大电流利用效率、促进电子转移，加快水体中磷酸盐的还原进程并从液相逸出而实现废水中磷超低排放。
本发明技术内容如下：
一种实现废水磷超低排放的复合生物电极，所述复合生物电极是将网状极板制作成箱体并内部填充碳基材料，构成复合生物阴极；采用网状极板制作生物阳极，由阴极、阳极共同构成。
优选的，所述复合生物电极的组合方式为阴极-阳极和/或阴极-阳极-阴极，极板间距为10~30cm。
优选的，所述网状极板采用不锈钢板或钛板，沿水流方向复合生物阴极框体宽度为8~20cm。
优选的，所述网状极板为钛板时，按电极质量0.02~0.1%比例对阴极负载镍予以修饰处理。
优选的，所述碳基材料为直径6~12mm的颗粒状碳基材料，该碳基材料为活性炭、生物炭中的一种或其任意组合。
优选的，按复合生物阴极箱体内碳基材料质量的0.8~2.0%比例添加辅助试剂对碳基填充剂进行改性，辅助试剂为MoS2、石墨烯粉末中的一种或两者按（1~3）：1比例混合。
一种实现废水磷超低排放的复合生物电极在水处理UCT工艺中的应用，具体包括以下步骤：（1）对颗粒状碳基材料进行修饰处理，之后装填至箱体式复合生物阴极，生物阴极与阳极均采用网状不锈钢板或钛板制作；选用钛板制作电极时，对其进行镀镍处理。
（2）将制备的生物阴极与阳极按一定的组合方式置于厌氧反应池中构建BES系统，通过稳压恒流电源控制电流强度，水体中的磷酸盐流经生物阴极时被碳基材料吸附并经微生物还原转化为气态含磷化合物。
（3）将BES系统出水依次引入缺氧池、好氧池，按照常规条件设置水处理UCT工艺技术参数，测定最终出水磷含量。
优选的，步骤（2）中所述复合生物电极由阴极-阳极构成，极板间距12~20cm，箱体式复合生物阴极沿水流方向的宽度为10~16cm。
优选的，步骤（2）所述电流强度为20~60mA。
优选的，根据待处理废水磷含量高低，在厌氧池沿水流方向设置复合生物电极1~4组。
优选的，步骤（1）中所述电极采用钛板制作时，按电极质量0.06~0.1%比例对阴极负载镍予以修饰处理。
优选的，步骤（1）中生物阴极箱体内装填碳基材料填充剂，碳基材料采用活性炭或生物炭均可，其适宜的粒径为φ6~10mm。
优选的，按复合生物阴极箱体内碳基材料质量的1.5~2.0%比例添加辅助试剂对碳基填充剂进行改性，辅助试剂以MoS2最为适宜。
优选的，步骤（2）中厌氧池外加电流强度为40～50mA；根据进水磷含量高低，在厌氧池沿水流方向设置复合生物电极2~3组。
本发明有益效果如下：
1）将复合生物电极引入UCT工艺厌氧池中，构成厌氧-电场耦合的BES系统，实现磷的达标排放甚至超低排放，生化系统出水磷含量可低至0.04mg/L。
2）将碳基材料装填至网状箱体构成复合生物阴极，利用碳基材料增强阴极区域磷酸盐吸附效果，为磷酸盐在生物阴极转化创造良好的外部环境条件。
3）在厌氧池水流通道设置多组生物电极，通过外电场为磷酸盐还原提供电子；对极板负载镍予以修饰，降低析氢电势，提升电流利用效率，促使磷酸盐在生物阴极更有效地转化为气态磷化物，提升水体生物除磷效果。
附图说明
图1为本发明UCT工艺流程图。
图2为图1中厌氧池俯视图；
图3为厌氧池中复合生物电极示意图；
图4为复合生物电极的阴极框体示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作详细说明，实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于所述内容。
实施例1
将直径10mm的颗粒状椰壳基活性碳装填至网状不锈钢材料制成的阴极箱体中，制备成复合生物阴极，箱体沿水流方向的宽度为10cm。
将复合生物阴极与网状阳极板按照阴极-阳极的组合方式置于厌氧反应池中，阳极板与阴极箱体内侧（即极板间距）为15cm，厌氧池沿水流方向1/3、2/3断面处各设置1组生物电极，通过外置稳压恒流电源控制电流强度为30mA。
厌氧池后依次设置缺氧池、好氧池组合成UCT工艺，含磷废水在厌氧池、缺氧池、好氧池的水力停留时间分别设置为2h、4h、10h，二沉池至缺氧池的污泥混合液回流比为100%，好氧池到缺氧池、缺氧池至厌氧池的消化液回流比分别为150%、200%，测定厌氧池进水、二沉池出水中总磷含量。
设置无生物电极的常规UCT工艺做为空白对照，空白组与实验组工况条件完全一致。当进水总磷含量8.6mg/L时，空白组与试验组二沉池后出水总磷含量分别为0.52~0.55mg/L、0.05~0.07mg/L。
实施例2
将煤基活性碳与玉米秸秆生物炭按1：1比例装填至网状不锈钢材料制成的阴极箱体中，制备成复合生物阴极，箱体沿水流方向的宽度为8cm。厌氧池沿水流方向1/2断面处设置1组生物电极，通过外置稳压恒流电源控制电流强度为40mA。其余操作条件均与实施例1相同。
当进水总磷含量10.4mg/L时，空白组与试验组二沉池后出水总磷含量分别为0.62~0.73mg/L、0.06~0.09mg/L。
实施例3
选用网状钛板制作电极，按照电极质量0.05%比例对阴极负载镍予以修饰处理，生物阴极箱体沿水流方向的宽度为15cm，箱体内填充直径9mm粒状椰壳基活性碳。按照阴极-阳极-阴极的组合方式设置电极组，分别在厌氧池沿水流方向1/4、2/4、3/4断面处各设置1组生物电极，外部电源提供的电流强度为50mA。
当进水总磷含量为7.9mg/L时，空白组与试验组二沉池后出水总磷含量分别为0.51~0.62mg/L、0.04~0.05mg/L。
实施例4
选用网状钛板制作电极，按照电极质量0.1%比例对阴极负载镍予以修饰处理，阴极箱体内填充直径6mm颗粒状玉米秸秆生物炭。按照阴极-阳极组合方式设置电极组，分别在厌氧池沿水流方向1/3、2/3断面处共设置2组生物电极，其余条件与实施例1相同。
当进水总磷含量7.5mg/L时，空白组与试验组二沉池后出水总磷含量分别为0.48~0.60mg/L、0.05~0.06mg/L。
实施例5
选取直径12mm的颗粒状椰壳基活性碳作为生物阴极箱体内的填充材料，按照填充材料1%比例添加MoS2粉体并将其均匀负载至活性碳表面，之后将其装填至生物阴极箱体，按阴极-阳极的组合方式在厌氧池沿水流方向1/3、2/3断面处各设置1组生物电极，阳极板与阴极箱体内侧（即极板间距）为28cm，通过外置稳压恒流电源控制电流强度为25mA。
当进水总磷含量7.9mg/L时，空白组与试验组二沉池后出水总磷含量分别为0.58~0.70mg/L、0.04~0.06mg/L。
Claims (10)
1.一种实现废水磷超低排放的复合生物电极，其特征在于，所述复合生物电极是将网状极板制作成箱体并内部填充碳基材料，构成复合生物阴极；采用网状极板制作生物阳极。
2.根据权利要求1所述的实现废水磷超低排放的复合生物电极，其特征在于，所述复合生物电极的组合方式为阴极-阳极和/或阴极-阳极-阴极，极板间距为10~30cm。
3.根据权利要求1所述的实现废水磷超低排放的复合生物电极，其特征在于，所述网状极板采用不锈钢板或钛板，沿水流方向复合生物阴极框体宽度为8~20cm。
4.根据权利要求3所述的实现废水磷超低排放的复合生物电极，其特征在于，所述网状极板为钛板时，按电极质量0.02~0.1%比例对阴极负载镍予以修饰处理。
5.根据权利要求1所述的实现废水磷超低排放的复合生物电极，其特征在于，所述碳基材料为直径6~12mm的颗粒状碳基材料，该碳基材料为活性炭、生物炭中的一种或其任意组合。
6.根据权利要求5所述的实现废水磷超低排放的复合生物电极，其特征在于，按复合生物阴极箱体内碳基材料质量的0.8~2.0%比例添加辅助试剂对碳基填充剂进行改性，辅助试剂为MoS2、石墨烯粉末中的一种或两者按（1~3）：1比例混合。
7.一种根据权利要求1-6任一所述的实现废水磷超低排放的复合生物电极的应用，其特征在于，所述复合生物电极在水处理UCT工艺中的应用，具体包括以下步骤：
（1）对碳基材料进行修饰处理，之后装填至箱体式复合生物阴极，生物阴极与阳极均采用网状不锈钢板或钛板制作；选用钛板制作电极时，对其进行镀镍处理；
（2）将制备的生物阴极与阳极置于厌氧反应池中构建BES系统，通过稳压恒流电源控制电流强度，水体中的磷酸盐流经生物阴极时被碳基材料吸附并经微生物还原转化为气态含磷化合物；
（3）将BES系统出水依次引入缺氧池、好氧池，按照常规条件设置水处理UCT工艺技术参数，测定最终出水磷含量。
8.根据权利要求7所述的实现废水磷超低排放的复合生物电极的应用，其特征在于，步骤（2）中所述复合生物电极由阴极-阳极构成，极板间距12~20cm，箱体式复合生物阴极沿水流方向的宽度为10~16cm。
9.根据权利要求7所述的实现废水磷超低排放的复合生物电极的应用，其特征在于，步骤（2）所述电流强度为20~60mA。
10.根据权利要求7所述的实现废水磷超低排放的复合生物电极的应用，其特征在于，根据待处理废水磷含量高低，在厌氧池沿水流方向设置复合生物电极1~4组。
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