申请日2017.08.10
公开(公告)日2017.10.20
IPC分类号C02F3/00; C02F3/34; C01B25/45; C02F101/30; C02F101/16
摘要
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、PO43‑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。
权利要求书
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)、PO43-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PO43-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°。
说明书
一种同步污水处理和氮磷回收的生物电化学装置
(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、PO43-储罐和刮泥电机，NH4+储罐、酸储罐、Mg2+储罐、碱储罐和PO43-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。