CN216737689U - 一种同步脱氮除磷且实现产能的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种同步脱氮除磷且实现产能的装置，本实用新型的装置中阴、阳极分别采用镁电极和空气电极，可选用厌氧消化废水和化抛废水调配为电解液。在反应过程中，由于电势差使镁阳极失去电子变成可溶的镁离子，镁离子与废水中的磷酸根离子和铵根离子生成鸟粪石沉淀；镁阳极失去的电子经外接导线传至空气阴极从而产生电。本实用新型以镁电极原位生成的镁离子进行脱氮除磷，在不加入其他药品的前提下，实现了废水脱氮除磷，同时还可回收废水中的氮磷资源和电能。

Description

一种同步脱氮除磷且实现产能的装置

技术领域

本实用新型涉及含氨氮和磷废水处理技术领域，具体涉及一种同步脱氮除磷且实现产能的装置。

背景技术

水体富营养化的指标有三类：环境因子、生物因子和营养因子，其中营养因子是水体富营养化的根本原因，而在营养因子中，氮磷元素是最有影响的存在，其中氮元素的影响尤为显著。如何将废水中的氮磷去除并进行资源化利用是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

实用新型内容

为解决现有技术中存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种同步脱氮除磷且实现产能的装置，本实用新型不仅能够将废水中的氮磷元素进行有效去除，还能够将氮磷元素变废为宝，以鸟粪石的形式回收。

本实用新型采用的技术方案如下：

一种同步脱氮除磷且实现产能的装置，包括反应罐、冷却罐、水泵和吸热管，反应罐中设有镁阳极和空气阴极，镁阳极设置于反应罐的内腔，镁阳极上连接有导电刚性杆，导电刚性杆贯穿反应罐的顶部，导电刚性杆的顶部连接有转子；吸热管盘旋绕设在反应罐的外部，吸热管的一端与反应罐的底部连通，吸热管的另一端与冷却罐连通其且连通点低于反应罐中的液面，空气阴极呈盘旋状设置于反应罐的内表面且位于吸热管形成的螺距之间的区域；转子的一个电极与导电刚性杆连接，转子的另一个电极与空气阴极连接；反应罐的底部设有产物排放口，顶部设有第一入水口；水泵的入口与冷却罐连接，水泵的出口与第一入水口连接。

优选的，反应罐的顶部设有刮镁片装置，刮镁片装置上设有供镁阳极以及导电刚性杆进出的孔隙，刮镁片装置上在孔隙处设有能够去除镁阳极表面因反应产生的钝化层的刮除装置。

优选的，刮镁片装置包括盖体，所述盖体与反应罐的顶部连接，所述孔隙开设于盖体上；刮除装置包括固定刀片、活动刀片以及弹簧，固定刀片和活动刀片的刀刃正对且分别设置于孔隙的两侧，固定刀片与盖体固定连接，弹簧的两端分别与活动刀片以及盖体连接，弹簧用于为活动刀片施加使活动刀片向固定刀片运动的力，活动刀片上连接有推钮，盖体上开设有供推钮移动的推轨，推钮的移动方向与弹簧的轴线平行，所述第一入水口开设于盖体上。

优选的，反应罐包括圆柱形池体和圆台形产物收集斗，圆台形产物收集斗的大端与圆柱形池体的底部连接，产物排放口设置于圆台形产物收集斗的小端，吸热管设置于圆柱形池体的外部，空气阴极设置于圆柱形池体的内表面，镁阳极位于圆柱形池体的内腔，吸热管的一端与圆柱形池体的底部连通。

优选的，圆台形产物收集斗的倾角为55°～60°。

优选的，圆柱形池体的容积与镁阳极的表面积比是1：(0.08～0.11)，圆柱形池体的容积与空气阴极的表面积比是1：(0.9～1.2)。

优选的，吸热管缠绕高度占圆柱形池体高度的83％～86％，空气阴极的缠绕高度占圆柱形池体的74％～77％。

优选的，导电刚性杆采用不锈钢棒，不锈钢棒、镁阳极的中心轴以及反应罐的轴线同轴。

本实用新型具有如下有益效果：

本实用新型同步脱氮除磷且实现产能的装置的阳极采用镁阳极，其电解液可采用厌氧消化废水和化抛废水调配而成的电解液，在反应进行时，镁电极失电子得到镁离子，并与电解液中的铵根离子和磷酸根离子结合生成鸟粪石沉淀，除了同步实现脱氮除磷之外，还获得了鸟粪石这一缓释肥料，带来了经济效益。反应罐外表面盘旋缠绕了吸热管，减缓了因反应罐中反应温度升高对空气阴极性质的影响；再有，镁电极和导电刚性杆以及转子的结合对电解液的搅拌，既避免了导电刚性杆与导线的缠绕情况，也避免了反应罐内局部浓度过高或者过低现象的产生，使整个电池能够保持稳定的产电效能。镁作为地球上储量最丰富的轻金属元素之一，选用它作为阳极，可以大大减少成本；本实用新型采用单室发电，减少了对离子膜的使用，不仅减少经济损耗，还避免带来二次污染。本实用新型不仅可以同步脱氮除磷，实现资源回收利用，还可以产电，并将电能收集利用，符合绿色环保，绿色经济的理念。

进一步的，反应罐的顶部设有刮镁片装置，刮镁片装置能够去除镁阳极表面产物，在反应中期，镁阳极表面发生钝化时，可以及时去除镁阳极表面的钝化层,一方面可以有效缓解脱氮除磷效率的降低，另一方面还可以保证电池持续稳定放电。

附图说明

图1是本实用新型同步脱氮除磷且实现产能的装置的整体结构示意图；

图2是本实用新型同步脱氮除磷且实现产能的装置去除阳极表面产物装置的俯视图；

图3是图1中a-a1截面示意图；

图4是图1中a-a1垂直面的截面示意图；

图中：A-反应区，B-冷却区，1-产物排放口，2-产物收集斗，3-圆柱形池体，4-吸热管，5-镁阳极，6-空气阴极，7-不锈钢棒，8-转子，9-导线，10-电信号采集器，11-电阻，12-刮镁片装置，12-1-螺丝钉，12-2-第一入水口，12-3-1-固定刀片，12-3-2-活动刀片，12-4-孔隙，12-5-弹簧，12-6-上盖，12-7-推轨，12-8-下盖，12-9-推钮，13-水泵，14-第一管道，15-第二管道，16-出水口，17-第二入水口。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本实用新型做进一步说明。若没有特殊说明或冲突，各优选实施方式可以任意组合。

如图1-图4所示，本实用新型同步脱氮除磷且实现产能的装置，包括反应罐、冷却罐、水泵13和吸热管4，反应罐中设有镁阳极5和空气阴极6，镁阳极5设置于反应罐的内腔，镁阳极5上连接有导电刚性杆，导电刚性杆贯穿反应罐的顶部，导电刚性杆的顶部连接有转子8；吸热管4盘旋绕设在反应罐的外部，吸热管4的一端与反应罐的底部连通，吸热管4的另一端与冷却罐连通其且连通点低于反应罐中的液面；空气阴极6和吸热的长管4分别位于反应罐的内表面和外表面相错缠绕，即条形的空气阴极6呈盘旋状设置于反应罐的内表面且位于吸热管4形成的螺距之间的区域；转子8的一个电极与导电刚性杆连接，转子8的另一个电极与空气阴极6连接；反应罐的底部设有产物排放口1，顶部设有第一入水口12-2；水泵13的入口与冷却罐连接，水泵13的出口与第一入水口12-2连接。本实用新型的装置中，在处理废水过程中，转子8可利用反应产生的电能进行转动，并通过导电刚性杆驱动镁阳极5转动，利用镁阳极5实现对反应罐内电解液的搅拌。吸热管4降温的主要原理是给反应罐中的电解液进行降温，盘旋状(也即螺旋状)可以提高散热面积，另外也是为了使空气阴极6保持一个整块，尽可能采用交大面积的空气阴极6，空气阴极6的设置新型使得其成为一个整体结构，同时还能够兼顾与电解液的接触面积以及电解液的降温需求。

作为本实用新型优选的实施方案，反应罐的顶部设有刮镁片装置12，刮镁片装置12上设有供镁阳极5以及导电刚性杆进出的孔隙12-4，刮镁片装置12上在孔隙12-4处设有能够去除镁阳极5表面因反应产生的钝化层的刮除装置。在工作时，定期将镁阳极5从孔隙12-4抽出、插入，此时利用刮除装置能够将镁阳极5表面的钝化层刮除。

作为本实用新型优选的实施方案，刮镁片装置12包括盖体，所述盖体与反应罐的顶部连接，所述孔隙12-4开设于盖体上；刮除装置包括固定刀片12-3-1、活动刀片12-3-2以及弹簧12-5，固定刀片12-3-1和活动刀片12-3-2的刀刃正对且分别设置于孔隙12-4的两侧，固定刀片12-3-1与盖体固定连接，弹簧12-5的两端分别与活动刀片12-3-2以及盖体连接，弹簧12-5用于为活动刀片12-3-2施加使活动刀片12-3-2向固定刀片12-3-1运动的力，活动刀片12-3-2上连接有推钮12-9，盖体上开设有供推钮12-9移动的推轨12-7，推钮12-9的移动方向与弹簧12-5的轴线平行，所述第一入水口12-2开设于盖体上。本实用新型的刮镁片装置12中，通过固定刀片12-3-1的活动刀片12-3-2的刀刃即可实现对镁阳极5表面钝化层的刮除。其中，通过弹簧12-5能够使活动刀片12-3-2的刀刃在刮除镁阳极5表面钝化层时始终保持接触，另一方面能够适应不同厚度的镁阳极从反应罐中的进出。推钮12-9的作用是方便固定刀片12-3-1和活动刀片12-3-2之间的张合，方便镁阳极5的进出。

作为本实用新型优选的实施方案，反应罐包括圆柱形池体3和圆台形产物收集斗2，圆台形产物收集斗2的大端与圆柱形池体3的底部连接，产物排放口1设置于圆台形产物收集斗2的小端，吸热管4设置于圆柱形池体3的外部，空气阴极6设置于圆柱形池体3的内表面，镁阳极5位于圆柱形池体3的内腔，吸热管4的一端与圆柱形池体3的底部连通。圆台形产物收集斗2便于生成的鸟粪石的聚集回收。圆台形产物收集斗2的倾角为55°～60°，该倾角下，生成的鸟粪石可通过重力作用汇聚于产物排放口1处，防止堆积。

作为本实用新型优选的实施方案，圆柱形池体3的容积与镁阳极5的表面积比是1：(0.08～0.11)，圆柱形池体3的容积与空气阴极6的表面积比是1：(0.9～1.2)。吸热管4缠绕高度占圆柱形池体3高度的83％～86％，空气阴极6的缠绕高度占圆柱形池体3的74％～77％。在上述参数下，能够保证本实用新型的反应具有较高的效率。

作为本实用新型优选的实施方案，导电刚性杆采用不锈钢棒7，不锈钢棒7、镁阳极5的中心轴以及反应罐的轴线同轴。

本实用新型如上所述的同步脱氮除磷且实现产能的装置的工作过程如下：

采用序批式反应机制，反应初始，将含有磷酸根离子和铵根离子的电解液通入反应罐内，使电解液液面高度高于镁阳极5的上边界，镁阳极5和空气阴极6通过导线9与外部用电器连接，镁阳极5失去电子转变得到的镁离子与电解液中的磷酸根离子和铵根离子生成鸟粪石沉淀，生成的鸟粪石沉淀经产物排放口1进行收集；镁阳极5和空气阴极6产生的电能驱动转子8转动，转子8经导电刚性杆驱动镁阳极5旋转并对反应罐内的电解液进行搅拌；

反应罐中的电解液从反应罐的底部进入吸热管4的一端，并从吸热管4的另一端流入冷却罐内，水泵13将冷却罐内的电解液抽出并加入反应罐内。

作为本实用新型优选的实施方案，控制电解液中氮磷摩尔比为1:(1～1.2)，pH为8.5～9.5。

从本实用新型的上述方案可以看出，本实用新型针对厌氧消化废水，提出一种镁-空气电池处理厌氧消化废水并以鸟粪石的形式回收氮磷资源的装置，本实用新型可以在回收氮磷资源的同时实现产电，可谓“一举两得”。

实施例

如图1～图4所示，本实施例同步脱氮除磷且实现产能的装置，包括主要反应区A和冷却区B，反应区A的主要结构为反应罐，反应罐通过圆柱形池体3和圆台形产物收集斗2连接而成，并在圆柱形池体3的内表面附有长条形的空气阴极6，空气阴极6盘旋布置，圆柱形池体3外表面螺旋缠绕吸热管4，圆柱形池体3内部中央悬挂了镁阳极5，镁阳极5上端由下至上依次连接了不锈钢棒7、转子8和导线9，同样空气阴极6也连接了导线9，并与阳极所连导线构成通路；冷却区B的主要结构是冷却罐，冷却罐采用无盖圆柱桶，水泵13的入口通过一段第一管道14与冷却罐的底部连接，水泵13的出口通过一段第一管道14与反应罐顶部的第一入水口12-2连接。吸热管4的下端与圆柱形池体3的底部连通，吸热管4的上端连接至冷却罐的顶部，吸热管4与冷却罐的连接点不高于圆柱形池体3内的液面高度，这样能够保证通过重力作用，使圆柱形池体3内的电解液顺利流入冷却罐中。

如图2所示，本实施例中，圆柱形池体3的顶部设置刮镁片装置12，刮镁片装置12包括盖体，所述盖体与圆柱形池体3顶部螺栓连接，所述孔隙12-4开设于盖体上；刮除装置包括固定刀片12-3-1、活动刀片12-3-2以及弹簧12-5，固定刀片12-3-1和活动刀片12-3-2的刀刃正对且分别设置于孔隙12-4的两侧，固定刀片12-3-1与盖体固定连接，弹簧12-5的两端分别与活动刀片12-3-2以及盖体连接，弹簧12-5用于为活动刀片12-3-2施加使活动刀片12-3-2向固定刀片12-3-1运动的力，活动刀片12-3-2上连接有推钮12-9，盖体上开设有供推钮12-9移动的推轨12-7，推钮12-9的移动方向与弹簧12-5的轴线平行，固定刀片12-3-1将锋利端暴露于孔隙12-4中，活动刀片12-3-2则连接弹簧12-5和推钮12-9，推钮在推轨12-7中移动。第一入水口12-2开设于盖体上。其中，盖体采用上盖12-6和下盖12-8组合的形式，上盖12-6和下盖12-8通过螺栓共同固定在圆柱形池体3的顶部，固定刀片12-3-1和活动刀片12-3-2设置于上盖12-6和下盖12-8之间的界面处。下盖12-8与圆柱形池体3采用嵌套结构连接。

本实施例中，反应罐、冷却罐、产物收集斗、盖板以及管路等由有机玻璃制作而成，各部件的尺寸可根据实际情况进行调整。在本实施例方案中，圆柱形池体3的容积与镁片的表面积比是1cm³/0.11cm²，与空气阴极表面积比是1cm³/1.2cm²。倒圆台形光滑无死角产物收集斗，其倾角为60°，其高度为圆柱形池体3的2/5。电解液的氮磷摩尔比为1:1。圆柱形池体3与冷却罐的容积比为1:1，圆柱形池体3与吸热管4的容积比为5:4。圆柱形池体3的上空占比(上空容积与圆柱形池体容积比)为14％。吸热管缠绕高度(吸热管始端和末端所在水平线间的垂直距离)占圆柱池体高度的86％，空气阴极的缠绕高度占圆柱池体的74％。空气阴极为长条状，由碳基、扩散层和催化层组合压制而成，并完全浸于电解液中。电解液的适宜pH值为8.5～9.5，在产物收集斗和镁阳极表面可以观察到鸟粪石的生成。经过试验，上述尺寸比例及参数能够较好的完成本实用新型的试验目的。

本实施例中，基于零价铁的同步脱氮除磷微生物燃料电池采用有机玻璃制作，其工作过程如下：

步骤1，本装置采用序批式反应机制，反应初始，将废水通入反应罐内，电解液液面高度略高于镁阳极5上边界，空气阴极6和镁阳极5均通过导线9与电信号采集器10和外电阻11连接。镁阳极5失去电子转变为镁离子，镁离子与废水中的磷酸根离子和铵根离子生成鸟粪石沉淀，沉淀在产物收集斗2聚集，并由产物排放口1排出，镁阳极失去的电子传至空气阴极。

步骤2，废水通过第二入水口17到达吸热管4内，使其自下而上螺旋进入，以吸收反应产生的热量，待吸热管4被充满时，已吸热的废水通过第二管道15到达冷却罐。冷却完成后，冷却罐中的废水从侧面底端的出水口16排出，并通过水泵13和第一管道14将废水输送到反应罐重复步骤1。

从上述方案可以看出，本实用新型具有如下特点：

1.镁片价格低廉，且易于获取，单室的构造减少离子膜的消耗，使得废水脱氮除磷成本大幅降低；

2.在高效脱氮除磷的基础上，还将氮磷资源以鸟粪石的形式得以回收，产生了经济效益；

3.吸热装置、去除阳极表面产物装置以及搅拌电解液装置使电池可稳定运行。

Claims (8)

1.一种同步脱氮除磷且实现产能的装置，其特征在于，包括反应罐、冷却罐、水泵(13)和吸热管(4)，反应罐中设有镁阳极(5)和空气阴极(6)，镁阳极(5)设置于反应罐的内腔，镁阳极(5)上连接有导电刚性杆，导电刚性杆贯穿反应罐的顶部，导电刚性杆的顶部连接有转子(8)；吸热管(4)盘旋绕设在反应罐的外部，吸热管(4)的一端与反应罐的底部连通，吸热管(4)的另一端与冷却罐连通其且连通点低于反应罐中的液面，空气阴极(6)呈盘旋状设置于反应罐的内表面且位于吸热管(4)形成的螺距之间的区域；转子(8)的一个电极与导电刚性杆连接，转子(8)的另一个电极与空气阴极(6)连接；反应罐的底部设有产物排放口(1)，顶部设有第一入水口(12-2)；水泵(13)的入口与冷却罐连接，水泵(13)的出口与第一入水口(12-2)连接。

2.根据权利要求1所述的一种同步脱氮除磷且实现产能的装置，其特征在于，反应罐的顶部设有刮镁片装置(12)，刮镁片装置(12)上设有供镁阳极(5)以及导电刚性杆进出的孔隙(12-4)，刮镁片装置(12)上在孔隙(12-4)处设有能够去除镁阳极(5)表面因反应产生的钝化层的刮除装置。

3.根据权利要求2所述的一种同步脱氮除磷且实现产能的装置，其特征在于，刮镁片装置(12)包括盖体，所述盖体与反应罐的顶部连接，所述孔隙(12-4)开设于盖体上；刮除装置包括固定刀片(12-3-1)、活动刀片(12-3-2)以及弹簧(12-5)，固定刀片(12-3-1)和活动刀片(12-3-2)的刀刃正对且分别设置于孔隙(12-4)的两侧，固定刀片(12-3-1)与盖体固定连接，弹簧(12-5)的两端分别与活动刀片(12-3-2)以及盖体连接，弹簧(12-5)用于为活动刀片(12-3-2)施加使活动刀片(12-3-2)向固定刀片(12-3-1)运动的力，活动刀片(12-3-2)上连接有推钮(12-9)，盖体上开设有供推钮(12-9)移动的推轨(12-7)，推钮(12-9)的移动方向与弹簧(12-5)的轴线平行，所述第一入水口(12-2)开设于盖体上。

4.根据权利要求1所述的一种同步脱氮除磷且实现产能的装置，其特征在于，反应罐包括圆柱形池体(3)和圆台形产物收集斗(2)，圆台形产物收集斗(2)的大端与圆柱形池体(3)的底部连接，产物排放口(1)设置于圆台形产物收集斗(2)的小端，吸热管(4)设置于圆柱形池体(3)的外部，空气阴极(6)设置于圆柱形池体(3)的内表面，镁阳极(5)位于圆柱形池体(3)的内腔，吸热管(4)的一端与圆柱形池体(3)的底部连通。

5.根据权利要求4所述的一种同步脱氮除磷且实现产能的装置，其特征在于，圆台形产物收集斗(2)的倾角为55°～60°。

6.根据权利要求4所述的一种同步脱氮除磷且实现产能的装置，其特征在于，圆柱形池体(3)的容积与镁阳极(5)的表面积比是1：(0.08～0.11)，圆柱形池体(3)的容积与空气阴极(6)的表面积比是1：(0.9～1.2)。

7.根据权利要求4所述的一种同步脱氮除磷且实现产能的装置，其特征在于，吸热管(4)缠绕高度占圆柱形池体(3)高度的83％～86％，空气阴极(6)的缠绕高度占圆柱形池体(3)的74％～77％。

8.根据权利要求1所述的一种同步脱氮除磷且实现产能的装置，其特征在于，导电刚性杆采用不锈钢棒(7)，不锈钢棒(7)、镁阳极(5)的中心轴以及反应罐的轴线同轴。

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