CN212127907U - 利用生物电化学系统进行废水同步除碳脱氮除磷的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了利用生物电化学系统进行废水同步除碳脱氮除磷的装置，包括微生物燃料电池和电解池，微生物燃料电池设有碳毡阳极、空气阴极、电池排气口、电池出水口和电池进水口，碳毡阳极上附着有产电微生物；电解池设有电解池进水口、电解池出水口、电解池排气口、铁阳极和碳棒阴极，电解池中还设有反硝化颗粒污泥，铁阳极外部罩有微孔滤膜收集装置；碳毡阳极通过导线与碳棒阴极连接，空气阴极通过导线与铁阳极连接；电池出水口与电解池进水口连通。本实用新型将除碳和脱氮除磷结合，不仅可以去除碳还可以为电解池脱氮除磷提供所需的电能，减少废水处理的成本以及磷资源的回收。具有绿色环保节能减排等多种优势亟待科学研究及工程应用。

Description

利用生物电化学系统进行废水同步除碳脱氮除磷的装置

技术领域

本实用新型属于污水处理及燃料电池技术领域，具体涉及利用生物电化学系统进行废水同步除碳脱氮除磷的装置。

背景技术

随着我国经济的发展和人口的增长，以及大量工业废水不达标外排，绝大部分生活废水不经处理直接排放。污水中高COD、氮、磷污染成为主要环境问题。现有的COD处理方法包括化学法、生物法和物理化学法三种。(1)化学法处理COD的缺点是需要不断向废水中投放化学药剂，其运行费用高，常用于处理成分复杂的废水。(2)生物化学法处理COD的缺点是运行管理较复杂、会产生污泥膨胀问题、对原水水质要求高、环境温度适用性差、占地面积较大等。(3)物理化学法处理COD的缺点是设备费用高、操作复杂、对操作人员要求高。由于传统治理方法存在一定的缺点，因此要开辟出处理工业废水COD的新途径。目前的微生物燃料电池脱氮除磷技术都需要外接电源实现同步脱氮除磷，外接电源会增加投资成本。

因此，如何将除碳和脱氮除磷结合是减少污水处理成本的一个构思，不仅可以去除碳还可以为电解池脱氮除磷提供所需的电能，减少废水处理的成本以及磷资源的回收。

实用新型内容

解决现有技术中存在的问题，本实用新型的目的在于提供利用生物电化学系统进行废水同步除碳脱氮除磷的装置，本实用新型的装置能够将除碳和脱氮除磷结合，不仅可以去除碳还可以为电解池脱氮除磷提供所需的电能，还能够减少废水处理的成本以及磷资源的回收。

本实用新型采用的技术方案如下：

利用生物电化学系统进行废水同步除碳脱氮除磷的装置，包括微生物燃料电池和电解池，微生物燃料电池设有碳毡阳极、空气阴极、电池排气口、电池出水口和电池进水口，碳毡阳极上附着有产电微生物；电解池设有电解池进水口、电解池出水口、电解池排气口、铁阳极和碳棒阴极，电解池中还设有反硝化颗粒污泥，铁阳极外部罩有微孔滤膜收集装置；碳毡阳极通过导线与碳棒阴极连接，空气阴极通过导线与铁阳极连接；电池出水口与电解池进水口连通。

优选的，微生物燃料电池包括电池外壳，碳毡阳极设置于电池外壳的内腔中，空气阴极设置在电池外壳的侧面，电池出水口和电池进水口设置于电池外壳上与空气阴极相对的另一侧面，电池排气口设置于电池外壳的顶部。

优选的，电池进水口的水平高度低于电池出水口的水平高度。

优选的，电解池包括电解池外壳，铁阳极和碳棒阴极设置于电解池外壳的内腔中，电解池进水口设置在电解池外壳上靠近铁阳极的侧面，电解池出水口设置在电解池外壳上靠近碳棒阴极的侧面，电解池排气口设置于电解池外壳的顶部。

优选的，电解池出水口的水平高度低于电解池进水口的水平高度。

优选的，微孔滤膜收集装置采用收集袋，收集袋材质采用0.22微米微孔滤膜。

优选的，微生物燃料电池和电解池容积比为(0.95～1.05):1。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

本实用新型采用了微生物燃料电池和电解池，微生物燃料电池能够对含有COD、N和P 的废水进行除碳处理，碳毡阳极通过导线与碳棒阴极连接，空气阴极通过导线与铁阳极连接，因此微生物燃料电池产生的电能能够直接供给电解池；电池出水口与电解池进水口连通，因此经微生物燃料电池除碳后的废水能够进入电解池中，电解池利用微生物燃料电池产生的电能将微生物燃料电池除碳后的废水进行脱氮除磷，因此本实用新型不需要外加电源就可以同时实现除碳脱氮除磷，所以节省能耗，微生物燃料电池处理后的废液能够作为电解池的原料，因此能够实现废液的连续化处理，提高了废水的处理效率；电解池中的铁阳极电解反应产生的二价铁离子作为除磷的絮凝剂以及反硝化颗粒污泥脱氮的电子供体完成废水脱氮除磷处理，反硝化颗粒污泥利用产生的二价铁作为电子供体，硝酸盐作为电子受体进行铁型自养反硝化，生成三价铁及NO，实现脱氮；废水中的磷酸盐与二价铁反应生成蓝铁矿沉淀，实现除磷，形成的蓝铁矿沉淀收集于微孔滤膜收集装置中，实现磷资源的回收。因此本实用新型能够将除碳和脱氮除磷结合，不仅可以去除碳还可以为电解池脱氮除磷提供所需的电能，减少废水处理的成本以及磷资源的回收。

附图说明

图1是本实用新型利用生物电化学系统进行废水同步除碳脱氮除磷的装置主视图；

图2是本实用新型利用生物电化学系统进行废水同步除碳脱氮除磷的装置俯视图；

图3是本实用新型微生物燃料电池右视图；

图4是图1中C-C*剖面图；

图5是图1中D-D*剖面图。

图中：A、微生物燃料电池；1、连接螺丝；2、电池出水口；3、碳毡阳极；4、硅胶垫片；5-1、电池外壳；5-2-电解池外壳；6、电池进水口；7、电池排气口；8、导线；9、有机玻璃板；10、空气阴极；B、电解池；11、橡皮筋；12、铁阳极；13、微孔滤膜收集装置；14、电解池进水口；15、电解池排气口；16、电解池出水口；17、碳棒阴极。

具体实施方式

下面结合具体附图和具体实施方式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。

参照图1～图5，本实用新型的利用生物电化学系统进行废水同步除碳脱氮除磷的装置，包括微生物燃料电池A和电解池B，微生物燃料电池A设有碳毡阳极3、空气阴极10、电池排气口7、电池出水口2和电池进水口6，碳毡阳极3上附着有产电微生物；电解池B设有电解池进水口14、电解池出水口16、电解池排气口15、铁阳极12和碳棒阴极17，电解池B中还设有反硝化颗粒污泥，铁阳极12外部罩有微孔滤膜收集装置13，微孔滤膜收集装置13用于分隔反硝化颗粒污泥中的反硝化细菌和铁电极板生成的蓝铁矿；碳毡阳极3通过导线8与碳棒阴极17连接，空气阴极10通过导线8与铁阳极12连接；电池出水口2与电解池进水口14 连通。

作为本实用新型优选的实施方案，参照图1～图4，微生物燃料电池A包括电池外壳5-1，碳毡阳极3设置于电池外壳5-1的内腔中，空气阴极10设置在电池外壳5-1的侧面，电池出水口2和电池进水口6设置于电池外壳5-1上与空气阴极10相对的另一侧面，电池排气口7设置于电池外壳5-1的顶部。

作为本实用新型优选的实施方案，参照图1～图2，电池进水口6的水平高度低于电池出水口2的水平高度。

作为本实用新型优选的实施方案，参照图1、图2和图5，电解池B包括电解池外壳5-2，铁阳极12和碳棒阴极17设置于电解池外壳5-2的内腔中，电解池进水口14设置在电解池外壳5-2上靠近铁阳极12的侧面，电解池出水口16设置在电解池外壳5-2上靠近碳棒阴极17的侧面，电解池排气口15设置于电解池外壳5-2的顶部。

作为本实用新型优选的实施方案，参照图1～图2，电解池出水口16的水平高度低于电解池进水口14的水平高度。

作为本实用新型优选的实施方案，参照图1，微孔滤膜收集装置13采用收集袋，收集袋材质采用0.22微米微孔滤膜。

作为本实用新型优选的实施方案，参照图1，微孔滤膜收集装置13为上端开口的袋子，微孔滤膜收集装置13套在铁阳极外部将铁阳极包裹，微孔滤膜收集装置13的口部通过橡皮筋 11扎紧密封。

作为本实用新型优选的实施方案，参照图1～图2，微生物燃料电池A和电解池B容积比为(0.95～1.05):1。

作为本实用新型优选的实施方案，微生物燃料电池阳极电极为附着有产电微生物的碳毡电极，碳毡片为长方形其高宽比为(1：2.5)～(1：3.5)，阳极电极的顶部距含高COD、N、P 的废水液面的距离至少为30mm；原电池阴极为空气阴极，阴极电极为圆形空气电极，由碳基层、扩散层和催化层组合压制而成，圆形直径一般为原电池反应器总高的

其完全浸没在含高COD、N、P的废水中。

作为本实用新型优选的实施方案，电解池以铁片作为阳极，铁片为长方形其高宽比为(2.5： 1)～(3.5：1)；以碳棒作为阴极，碳棒为长方形其高宽比为(2.5：1)～(3.5：1)；铁片和碳棒均完全浸没在含高N、P的废水中。

本实用新型的利用生物电化学系统进行废水同步除碳脱氮除磷装置对废水进行同步除碳脱氮除磷的过程包括：

将含有COD、N和P的废水从电池进水口6通入微生物燃料电池A的内腔，微生物燃料电池A的碳毡阳极3和空气阴极10对废水中的COD进行除碳处理，产生的二氧化碳气体从电池排气口7排出，同时产生的电能供给电解池B；经过微生物燃料电池A处理过的废水从微生物燃料电池A的内腔经电池出水口2和电解池进水口14通入电解池B的内腔；电解池B 的铁阳极12和碳棒阴极17利用微生物燃料电池A中碳毡阳极3和空气阴极10产生的电能对经微生物燃料电池A除碳后的废水进行脱氮除磷，铁阳极12进行电解反应产生的二价铁离子作为除磷的絮凝剂以及反硝化颗粒污泥脱氮的电子供体完成废水脱氮除磷处理，高效自养反硝化颗粒污泥HDs菌利用产生的二价铁作为电子供体，硝酸盐作为电子受体进行铁型自养反硝化，生成三价铁及NO，实现脱氮；废水中的磷酸盐与二价铁反应生成蓝铁矿沉淀，实现除磷，形成的蓝铁矿沉淀收集于微孔滤膜收集装置13中；脱氮除磷后的废水从电解池出水口16排出。

本实用新型针对城市污水中含有大量的COD、N、P，提出一种利用生物电化学系统进行废水同步除碳脱氮除磷的装置，本实用新型利用微生物燃料电池对废水中的COD进行除碳处理；同时微生物燃料电池产生的电能供给含有高效反硝化颗粒污泥的电解池，电解池铁阳极进行电解反应产生的二价铁离子作为除磷的絮凝剂以及反硝化颗粒污泥脱氮的电子供体可完成废水脱氮除磷处理。微生物燃料电池的阳极采用附着有产电微生物的碳毡电极，阴极采用空气电极；电解池阳极采用铁棒，阴极采用碳棒；微生物燃料电池通过导线与电解池连接，为电解池提供电能，其中，附着有产电微生物的碳毡电极与碳棒电极连接，空气电极与铁电极连接。原电池中产电微生物分解废水中的有机碳源，产生电能，并向电解池输出；电解池中铁阳极接收来自原电池的电能，电解产生二价铁离子，二价铁离子与废水中的磷酸根反应生成可回收蓝铁矿。高效自养反硝化颗粒污泥利用产生的二价铁作为电子供体硝酸盐作为电子受体进行铁型自养反硝化，生成三价铁及NO从而达到脱氮的目的。废水中的磷酸根可与二价铁反应生成蓝铁矿沉淀，实现除磷。整个系统构成一个闭合的回路。

实施例

如图1～图5所示，本实施例利用生物电化学系统进行废水同步除碳脱氮除磷的装置，装置包括微生物燃料电池A、电解池B和导线8；微生物燃料电池A包括连接螺丝1、电池出水口2、附着有产电微生物的碳毡电极3、硅胶垫片4、电池外壳(矩形有机玻璃)5-1、电池进水口6、原电池排气口7、导线8和空气阴极10；微生物燃料电池A与电解池B由导线连接；电解池B包括连接螺丝1、硅胶垫片4、电解池外壳5-2、导线8、橡皮筋11、铁阳极12、0.22 微米微孔滤膜制成的微孔滤膜收集装置13、电解池进水口14、电解池排气口15、电解池出水口16和碳棒阴极17。

微生物燃料电池A的电池外壳5-1通过有机玻璃板9加工而成，整体为矩形框体，另有机玻璃通过连接螺丝1连接，并且在连接处设置有硅胶垫片4以加强密闭性。空气阴极10安装在电池外壳5-1的右侧壁上，电池进水口6和电池出水口2设置在电池外壳5-1左侧壁上，电池进水口6位于电池外壳5-1下部位置，电池出水口2位于电池外壳5-1上部位置，电池进水口6和电池出水口2分别于电池外壳5-1左侧壁的对角位置，电池排气口7设置在电池外壳5-1 的顶面，碳毡阳极3设置在电池外壳5-1内腔的中部；附着有产电微生物的碳毡电极3通过导线8与碳棒电极15相连，空气电极10通过导线8与铁电极相连；碳毡阳极3处于产电基质液面以下。

电解池B的电解池外壳5-2通过有机玻璃板9加工而成，整体为矩形框体，另有机玻璃通过连接螺丝1连接，并且在连接处设置有硅胶垫片4以加强密闭性。铁阳极12和碳棒阴极17 设置于电解池外壳5-2的内腔中，并分别位于左右两侧，电解池进水口14设置在电解池外壳5-2的左侧面，电解池出水口16设置在电解池外壳5-2的右侧面，电解池排气口15设置于电解池外壳5-2的顶面。电解池出水口16的水平高度低于电解池进水口14的水平高度。微孔滤膜收集装置13采用收集袋，收集袋材质采用0.22微米微孔滤膜。且铁电极以及碳棒电极17 均处于耗电基质液面以下；经过微生物燃料电池A处理过的废水经微生物燃料电池的电池出水口2排出微生物燃料电池A，并从电解池B电解池进水口14进入到电解池B的内腔。

上述各部件的尺寸及比例可视实际情况进行设定。在本实施方案中，微生物燃料电池A 与电解池B总体积比为1:1。微生物燃料电池阳极电极为附着有产电微生物的碳毡电极3，碳毡片为长方形其高宽比为1：3，阳极电极的顶部距含高COD、N、P的废水液面的距离为40mm；原电池阴极为空气阴极10，阴极电极为圆形空气电极，由碳基层、扩散层和催化层组合压制而成，圆形直径一般为微生物燃料电池反应器总高的

其完全浸没在含高COD、N、P的废水中；电解池以铁片作为阳极，铁片为长方形其高宽比为3：1；以碳棒作为阴极，碳棒为长方形其高宽比为3：1；铁片和碳棒均完全浸没在含高N、P的废水中；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。

本实施例利用生物电化学系统进行废水同步除碳脱氮除磷的装置的工作过程如下：将含高 COD、N、P的废水由电池进水口6通入，微生物燃料电池A附着有产电微生物的碳毡电极(阳极)3表面的产电微生物会利用废水中的有机碳进行新陈代谢活动，产生二氧化碳、电子、质子等，空气阴极10表面质子与氧气发生还原反应，生成水。利用微生物燃料电池对废水中的 COD进行除碳处理，同时微生物燃料电池中会产生电能供给含有高效反硝化颗粒污泥HDs的电解池B。产生的二氧化碳气体从微生物燃料电池A上侧排气口7排出。电解池B中利用微生物燃料电池A中产电微生物分解废水中的有机碳源产生的电能对经微生物燃料电池A除碳后的废水进行脱氮除磷。电解池B中铁阳极12接收来自微生物燃料电池A的电能，电解产生二价铁离子，二价铁离子与废水中的磷酸根反应生成可回收的蓝铁矿。高效自养反硝化颗粒污泥HDs菌利用产生的二价铁作为电子供体硝酸盐作为电子受体进行铁型自养反硝化，生成三价铁及NO从而达到脱氮的目的，废水中的磷酸根可以与二价铁发生反应生成蓝铁矿沉淀，实现除磷。脱氮除磷后的废水从电解池右侧上方的电解池出水口16排出。

Claims (7)

1.利用生物电化学系统进行废水同步除碳脱氮除磷的装置，其特征在于，包括微生物燃料电池(A)和电解池(B)，微生物燃料电池(A)设有碳毡阳极(3)、空气阴极(10)、电池排气口(7)、电池出水口(2)和电池进水口(6)，碳毡阳极(3)上附着有产电微生物；电解池(B)设有电解池进水口(14)、电解池出水口(16)、电解池排气口(15)、铁阳极(12)和碳棒阴极(17)，电解池(B)中还设有反硝化颗粒污泥，铁阳极(12)外部罩有微孔滤膜收集装置(13)；碳毡阳极(3)通过导线(8)与碳棒阴极(17)连接，空气阴极(10)通过导线(8)与铁阳极(12)连接；电池出水口(2)与电解池进水口(14)连通。

2.根据权利要求1所述的利用生物电化学系统进行废水同步除碳脱氮除磷的装置，其特征在于，微生物燃料电池(A)包括电池外壳(5-1)，碳毡阳极(3)设置于电池外壳(5-1)的内腔中，空气阴极(10)设置在电池外壳(5-1)的侧面，电池出水口(2)和电池进水口(6)设置于电池外壳(5-1)上与空气阴极(10)相对的另一侧面，电池排气口(7)设置于电池外壳(5-1)的顶部。

3.根据权利要求2所述的利用生物电化学系统进行废水同步除碳脱氮除磷的装置，其特征在于，电池进水口(6)的水平高度低于电池出水口(2)的水平高度。

4.根据权利要求1所述的利用生物电化学系统进行废水同步除碳脱氮除磷的装置，其特征在于，电解池(B)包括电解池外壳(5-2)，铁阳极(12)和碳棒阴极(17)设置于电解池外壳(5-2)的内腔中，电解池进水口(14)设置在电解池外壳(5-2)上靠近铁阳极(12)的侧面，电解池出水口(16)设置在电解池外壳(5-2)上靠近碳棒阴极(17)的侧面，电解池排气口(15)设置于电解池外壳(5-2)的顶部。

5.根据权利要求1所述的利用生物电化学系统进行废水同步除碳脱氮除磷的装置，其特征在于，电解池出水口(16)的水平高度低于电解池进水口(14)的水平高度。

6.根据权利要求1所述的利用生物电化学系统进行废水同步除碳脱氮除磷的装置，其特征在于，微孔滤膜收集装置(13)采用收集袋，收集袋材质采用0.22微米微孔滤膜。

7.根据权利要求1所述的利用生物电化学系统进行废水同步除碳脱氮除磷的装置，其特征在于，微生物燃料电池(A)和电解池(B)容积比为(0.95～1.05):1。

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