申请日2014.12.05
公开(公告)日2015.04.01
IPC分类号C02F11/04; C02F9/14; C02F3/34; C01B25/32; C01B25/45
摘要
本发明公开了一种利用MFC从污泥中回收磷的方法。该方法为将含磷污泥进行厌氧消化，取污泥消化液上清即为含磷污泥消化液;将含磷污泥消化液过滤取滤液，往滤液中加入白云石，调pH为3.5～5，即得电解液;向MFC中接种产电微生物，加入稀释的含磷污泥消化液驯化培养，当外接电流稳定后，将电解液泵入MFC中，试调使外界电压稳定即可;MFC在后续运行时，阴极附近Mg2+、Ca2+、NH4+以及HnPO4n-3便会形成沉淀，从而实现磷的回收。本发明克服了现有磷回收技术的不足，以白云石为钙源和镁源，以MFC回收污泥厌氧消化液中的磷，不仅实现污泥中有效资源的高效回收，还能缓解磷矿资源日益匮乏和水体富营养化的矛盾局面。
权利要求书
1.一种利用MFC从污泥中回收磷的方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)将含磷污泥进行厌氧消化，在厌氧条件下污泥中的磷被释放，并以磷酸盐溶解态富集于污泥消化液中，收集污泥消化液上清部分，即得含磷污泥消化液;
2)将上述含磷污泥消化液过滤取滤液，按固液比为3.0～7.0 g：100mL往滤液中加入白云石，然后再加入盐酸，搅拌使白云石溶解，即得电解液;其中，盐酸用量为使液体pH为3.5～5;
3)MFC反应器的启动：向MFC反应器中接种能在酸性条件下产电的微生物，加入稀释5～20倍数的步骤1)中所述的含磷污泥消化液进行驯化培养，并逐渐减少含磷污泥消化液的稀释倍数，继续驯化培养2～3天，直到外接电流稳定之后，将步骤2)中制备好的电解液泵入MFC反应器中，并对反应器的外阻进行调试运行，以使外界电压稳定;
4)磷回收和产电：在MFC反应器运行过程中，附着于阳极的产电微生物作为催化剂降解含磷污泥消化液中的有机物产生电子和质子，产生的电子传递到阳极，经外电路到达阴极，由此产生外电流;产生的质子通过MFC反应器隔膜达阴极，与阴极附近的磷酸盐形成HnPO4n-3，与此同时，质子与氧气在阴极氧还原催化剂的作用下结合生成水，使得阴极附近的局部pH 明显高于反应器中其他区域，当阴极附近Mg2+、Ca2+、NH4+以及HnPO4n-3达到一定浓度后，便会形成鸟粪石、磷酸钙盐等沉淀，从而实现磷的回收。
2.根据权利要求1所述的一种利用MFC从污泥中回收磷的方法，其特征在于：步骤2)中所述白云石为过35~55目筛的白云石。
3.根据权利要求1或2所述的一种利用MFC从污泥中回收磷的方法，其特征在于：步骤2)中所述白云石中CaO、MgO和烧失量的重量百分比分别为27.2%~31.4%、20.8%~22.5%和44.5%~47.0%。
4.根据权利要求1或2所述的一种利用MFC从污泥中回收磷的方法，其特征在于：步骤2)中盐酸用量为使液体pH为4。
5.根据权利要求1所述的一种利用MFC从污泥中回收磷的方法，其特征在于：MFC反应器为单室空气阴极MFC反应器，隔膜材料为防水透气布，阴极氧还原催化剂为锰氧化物/Co-PPy-C钴聚吡咯碳，阴极材料为碳布，阳极材料为碳毡，分别用导线从阴极、阳极导出形成闭合回路。
6.根据权利要求1所述的一种利用MFC从污泥中回收磷的方法，其特征在于：步骤3)中所述的电解液泵入MFC反应器中的流速为2～10mL/min。
7.根据权利要求1所述的一种利用MFC从污泥中回收磷的方法，其特征在于：随着MFC反应器阴极沉淀物的逐渐积累，会在一定程度上影响阴极的传质，从而影响MFC反应器性能，因此当MFC运行时外电流降低为正常电流的10%及以下时，停止进水并收集阴极沉淀物，并对阴极碳布进行清洗，然后按照步骤3)进行MFC反应器的重新启动。
说明书
一种利用MFC从污泥中回收磷的方法
技术领域
本发明涉及污泥资源化技术领域，特别是涉及一种利用微生物燃料电池装置(MFC)从污泥中回收磷的方法。
背景技术
磷既是造成水体富营养化的重要因素，又是一种不可再生、日益匮乏的战略性资源，它因此推动着“去除磷”向“回收磷”理念的快速转变与研发技术的实际应用。当前国内采用的生物法脱氮除磷工艺，并没有从根本上实现对磷的去除，只是将磷从污水中转移到了污泥中。调查发现，污泥经 厌氧消化后的消化液中氨氮和正磷浓度可以分别达到330~650 mg/L和40~290 mg/L，发掘污泥中的“第二磷矿”成为国内外诸多研究者努力的方向。
磷回收工艺方法主要分为沉淀法和结晶法等，沉淀法回收磷是使磷酸根以鸟粪石、磷酸钙盐和磷酸铝盐等形式沉淀下来;结晶法回收磷是在碱性条件下以含Ca、Mg等的矿物小颗粒作为晶种，使磷酸根以磷酸铵镁、羟基磷酸钙等形式结晶出来。然而这些方法均需要额外投加单一钙源、镁源以及调节pH所用的大量化学药剂。因此，寻找廉价易得的钙源或镁源、开发经济高效的磷回收工艺，最大程度降低污泥中磷回收成本并提高产品的磷含量，是当前研究的热点。
MFC是利用微生物的催化氧化作用，将储存在有机物中的化学能直接转化为电能的装置，是生物技术与电池技术相结合的产物。MFC具有去除污染与产电的双重功效，在污水处理、原位生态修复、传感器等方面应用广泛。随着全球范围内磷矿资源匮乏与水体富营养化的矛盾日益激化，近年来国内外开始探索利用MFC反应器回收污水中磷的可行性，但关于这方面的研究仍处于起步阶段。而采用白云石作为钙源和镁源，利用MFC反应器进行污泥磷回收的方法尚未见报道。
发明内容
本发明的目的在于一种利用MFC从污泥中回收磷的方法。
本发明所采取的技术方案是：
一种利用MFC从污泥中回收磷的方法，包括以下步骤：
1)将含磷污泥进行厌氧消化，在厌氧条件下污泥中的磷被释放，并以磷酸盐溶解态富集于污泥消化液中，收集污泥消化液上清部分，即得含磷污泥消化液;
2)将上述含磷污泥消化液过滤取滤液，按固液比为3.0～7.0 g：100mL往滤液中加入白云石，然后再加入盐酸，搅拌使白云石溶解，即得电解液;其中，盐酸用量为使液体pH为3.5～5;
3)MFC反应器的启动：向MFC反应器中接种能在酸性条件下产电的微生物，加入稀释5～20倍数的步骤1)中所述的含磷污泥消化液进行驯化培养，并逐渐减少含磷污泥消化液的稀释倍数，继续驯化培养2～3天，直到外接电流稳定之后，将步骤2)中制备好的电解液泵入MFC反应器中，并对反应器的外阻进行调试运行，以使外界电压稳定;
4)磷回收和产电：在MFC反应器运行过程中，附着于阳极的产电微生物作为催化剂降解含磷污泥消化液中的有机物产生电子和质子，产生的电子传递到阳极，经外电路到达阴极，由此产生外电流;产生的质子通过MFC反应器隔膜达阴极，与阴极附近的磷酸盐形成HnPO4n-3，与此同时，质子与氧气在阴极氧还原催化剂的作用下结合生成水，使得阴极附近的局部pH 明显高于反应器中其他区域，当阴极附近Mg2+、Ca2+、NH4+以及HnPO4n-3达到一定浓度后，便会形成鸟粪石、磷酸钙盐等沉淀，从而实现磷的回收。
进一步，上述步骤2)中所述白云石为过35~55目筛的白云石。
进一步，上述步骤2)中所述白云石中CaO、MgO和烧失量的重量百分比分别为27.2%~31.4%、20.8%~22.5%和44.5%~47.0%。
进一步，上述步骤2)中盐酸用量为使液体pH为4。
进一步，上述MFC反应器为单室空气阴极MFC反应器，隔膜材料为防水透气布，阴极氧还原催化剂为锰氧化物/Co-PPy-C钴聚吡咯碳，阴极材料为碳布，阳极材料为碳毡，分别用导线从阴极、阳极导出形成闭合回路。
进一步，上述步骤3)中所述的电解液泵入MFC反应器中的流速为2～10mL/min。
进一步，上述随着MFC反应器阴极沉淀物的逐渐积累，会在一定程度上影响阴极的传质，从而影响MFC反应器性能，因此当MFC运行时外电流降低为正常电流的10%及以下时，停止进水并收集阴极沉淀物，并对阴极碳布进行清洗，然后按照步骤3)进行MFC反应器的重新启动。
本发明的有益效果是：
本发明采用白云石作为镁源和钙源、基于MFC原理的污泥中磷回收系统，有效结合了电化学方法和常规磷回收工艺，起到了集污泥中磷资源的高效回收与清洁电能产生的双重功效，实现了真正意义上的污泥资源化利用。采用廉价易得且富含钙源和镁源的白云石，无需额外投加单一钙源或镁源，大大降低了磷回收成本。MFC反应器以防水透气布作为低成本隔膜材料代替质子交换膜，以低价碳布作为反应器阴极，以锰氧化物/Co-PPy-C(钴聚吡咯碳)作为廉价阴极氧还原催化剂，从而有效降低了MFC的构建及运行成本。
本发明给出了在最优条件下MFC反应器中阴极最大磷回收率、最大功率密度以及COD平均去除率分别为32.7%、1760 mW/m2和76%，在反应器阴极回收的磷酸盐沉淀物主要成分是鸟粪石和磷酸钙，磷含量占进水总磷含量的32.7%。
本发明克服了现有磷回收技术的不足，采用白云石作为钙源和镁源，利用MFC反应器回收污泥厌氧消化液中的磷，不仅能够实现污泥中有效资源的高效回收，还能缓解磷矿资源日益匮乏和水体富营养化的矛盾局面。