（一）技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及污水處理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種同步污水處理和氮磷回收的生物電化學(xué)裝置。

（二）

背景技術(shù)：

我國污水排放量逐年增大，污水處理能耗高、花費大。據(jù)統(tǒng)計，近年來，我國污水排放量已高達800億噸/年，累計建成污水處理廠4000多座，每年用于污水處理的費用已達到上千億元。傳統(tǒng)的污水處理技術(shù)通常通過好氧曝氣來去除污水中的污染物，電能耗費巨大，我國每年僅用于污水處理的耗電量就占全國總發(fā)電量的2%。隨著能源資源短缺的日益加劇，節(jié)能降耗已成為廢水處理行業(yè)急待解決的現(xiàn)實問題。然而，污水中又蘊含著巨大潛能，據(jù)測算生活污水所含化學(xué)能是處理電耗的10倍左右。若采用生物電化學(xué)裝置將這部分能量加以回收，不但有望解決污水處理的高能耗問題，達到污水處理能量平衡，還有望實現(xiàn)能量輸出，緩解能源短缺的危機。

除了蘊含巨大的能量之外，污水中還含有大量的氮磷等營養(yǎng)元素，然而現(xiàn)行的污水處理方法并未將污水中的氮磷資源加以回收利用。全球每年耗費大量能量將空氣中的氮固定轉(zhuǎn)化為氮肥，全球磷資源行將枯竭，中國儲量也只能有效供給20-50年，而污水中的氮磷肥資源卻白白流失。城市污水處理將是實現(xiàn)氮磷循環(huán)的重要途徑，日本相關(guān)機構(gòu)曾經(jīng)測算，如將污水中的磷（每年5萬噸）加以回收，可解決本國磷礦石進口量的20%。通過向污水中投加mg²⁺，可與污水中的氮磷結(jié)合生成磷酸銨鎂肥料，是從污水中回收氮磷的有效方法，然而傳統(tǒng)方法氮磷回收效率低，過程不可控制。

（三）

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了彌補現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)能高效、處理成本低的同步污水處理和氮磷回收的生物電化學(xué)裝置。

本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種同步污水處理和氮磷回收的生物電化學(xué)裝置，包括底部設(shè)置集泥斗的反應(yīng)罐體，其特征在于：所述反應(yīng)罐體的對稱側(cè)壁上設(shè)置有均安裝有電磁閥的位于底部的進水口和位于上部的出水口，反應(yīng)罐體的側(cè)壁上設(shè)置有位置對稱的生物反應(yīng)陽極和氮磷結(jié)晶陰極，生物反應(yīng)陽極和氮磷結(jié)晶陰極通過導(dǎo)線連接，且在導(dǎo)線上串聯(lián)有可調(diào)電阻和電流表；反應(yīng)罐體頂部設(shè)置有承托頂蓋，頂托頂蓋上設(shè)有取樣口、液位計、nh4⁺儲罐、酸儲罐、溶液氧探頭、mg²⁺儲罐、溫度探頭、堿儲罐、ph探頭、po4^3-儲罐和刮泥電機，nh4⁺儲罐、酸儲罐、mg²⁺儲罐、堿儲罐和po4^3-儲罐均通過導(dǎo)流管連通反應(yīng)罐體內(nèi)部，導(dǎo)流管上均設(shè)置有流量泵和電磁閥。

本發(fā)明包括沉淀捕集區(qū)、污水處理區(qū)和反應(yīng)調(diào)控區(qū)，沉淀捕集區(qū)為集泥斗所在區(qū)域，污水處理區(qū)底部和沉淀捕集區(qū)頂部直接相連，污水處理區(qū)設(shè)有反應(yīng)罐體，反應(yīng)調(diào)控區(qū)通過承托頂蓋與污水處理區(qū)頂部相鄰，并通過承托頂蓋設(shè)置各種監(jiān)測裝置。

本發(fā)明利用生物電化學(xué)反應(yīng)強化氮磷結(jié)晶沉淀，可在同一裝置內(nèi)去除污水中有機物、氮和磷三種污染物，具有同步污水處理、氮磷資源回收和生物產(chǎn)電功能，有效降低了污水處理成本，將污水處理的功能由單純污染物削減，轉(zhuǎn)變?yōu)榧廴究刂?、能源生產(chǎn)和資源回收于一體的綜合技術(shù)體系，實現(xiàn)污水處理技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展。

本發(fā)明的更優(yōu)技術(shù)方案為：

所述集泥斗底部設(shè)置有安裝電磁閥的排泥管，集泥斗頂部側(cè)壁上設(shè)置有通過復(fù)位彈簧連接的浮動式載泥板；優(yōu)選的是所述集泥斗底部傾角α為45-65°，浮動式載泥板與集泥斗初始夾角γ為15-20°。

所述反應(yīng)罐體的內(nèi)部側(cè)壁上設(shè)置有位于出水口的溢流堰。

所述刮泥電機底部安裝有伸入反應(yīng)罐體的伸縮桿，伸縮桿底部連接有靠近氮磷結(jié)晶陰極的刮泥鏟，優(yōu)選的是，所述刮泥鏟與氮磷結(jié)晶陰極夾角β為135°。

所述反應(yīng)罐體和集泥斗的體積比為4:1-8:1，反應(yīng)罐體為長方體，集泥斗為方椎體，反應(yīng)罐體中部正面設(shè)有透視檢查鏡，透視檢查鏡為高強透明玻璃。

所述生物反應(yīng)陽極的材料為碳氈、石墨氈或石墨板中的一種，且其表面生長有厚度為0.01-0.1mm的電化學(xué)活性生物膜，電化學(xué)活性生物膜由geobacter菌、shewanella菌和異養(yǎng)菌組成。

所述氮磷結(jié)晶陰極嵌于反應(yīng)罐體內(nèi)，內(nèi)側(cè)與污水接觸，外側(cè)與空氣接觸；氮磷結(jié)晶陰極的基體材料為石墨氈或碳氈，內(nèi)側(cè)涂有nafion隔膜層，外側(cè)涂有ptfe防水涂層和鉑碳催化劑涂層。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有的有益效果：

（1）可在同一裝置內(nèi)實現(xiàn)有機物、氮和磷三種污染物的去除，改變了傳統(tǒng)污水處理技術(shù)能耗高的缺點，進行同步污水處理、生物產(chǎn)電和氮磷資源回收，實現(xiàn)節(jié)能減排；

（2）本發(fā)明可用于處理同時含有cod、氮和磷污染物的生活污水、禽畜養(yǎng)殖廢水等，可有效降低污水處理成本，保障水質(zhì)安全，促進資源回收利用，具有良好的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益，應(yīng)用前景廣闊。

（四）附圖說明

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。

圖1為本發(fā)明的主視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，1排泥管，2集泥斗，3復(fù)位彈簧，4浮動式載泥板，5進水口，6生物反應(yīng)陽極，7透視檢查鏡，8液位計，9溶液氧探頭，10導(dǎo)流管，11取樣口，12流量泵，13nh4⁺儲罐，14導(dǎo)線，15酸儲罐，16可調(diào)電阻，17mg²⁺儲罐，18電流表，19堿儲罐，20po4^3-儲罐，21刮泥電機，22承托頂蓋，23出水口，24溢流堰，25溫度探頭，26ph探頭，27伸縮桿，28氮磷結(jié)晶陰極，29刮泥鏟，30反應(yīng)罐體，31電磁閥。

（五）具體實施方式

附圖為本發(fā)明的一種具體實施例。該實施例包括沉淀捕集區(qū)a、污水處理區(qū)b和反應(yīng)調(diào)控區(qū)c，沉淀捕集區(qū)a設(shè)有排泥管1、集泥斗2、復(fù)位彈簧3和浮動式載泥板4，污水處理區(qū)b底部和沉淀捕集區(qū)a頂部直接相連，污水處理區(qū)b設(shè)有反應(yīng)罐30，反應(yīng)罐體30底部和上部兩側(cè)分別設(shè)有進水口5和出水口23，進水口5和出水口23均設(shè)有電磁閥31，出水口23連接溢流堰24，反應(yīng)罐體30中部正面設(shè)有透視檢查鏡7，反應(yīng)罐體30側(cè)壁分別設(shè)有生物反應(yīng)陽極6和氮磷結(jié)晶陰極28，反應(yīng)調(diào)控區(qū)c通過承托頂蓋22與污水處理區(qū)b頂部相連，反應(yīng)調(diào)控區(qū)c設(shè)有承托頂蓋22、導(dǎo)線14、可調(diào)電阻16和電流表18，導(dǎo)線兩端分別連接生物反應(yīng)陽極6和氮磷結(jié)晶陰極28同時串聯(lián)可調(diào)電阻16和電流表18，承托頂蓋22上設(shè)有取樣口11、液位計8、nh4⁺儲罐13、酸儲罐15、溶液氧探頭9、mg²⁺儲罐17、溫度探頭25、堿儲罐19、ph探頭26、po4^3-儲罐20和刮泥電機21，刮泥電機21連接伸縮桿27，伸縮桿27底部與刮泥鏟29相連，nh4⁺儲罐13、酸儲罐15、mg²⁺儲罐17、堿儲罐19和po4^3-儲罐20均通過導(dǎo)流管10與污水處理區(qū)b連通，導(dǎo)流管10上均連接有流量泵12和電磁閥31。

所述的污水處理區(qū)b和沉淀捕集區(qū)a的體積比為4:1-8:1，反應(yīng)罐體30為長方體，集泥斗2為方錐體，反應(yīng)罐體30中部正面設(shè)有透視檢查鏡7，透視檢查鏡7材料為高強透明玻璃。

所述生物反應(yīng)陽極6的材料為碳氈、石墨氈或石墨板中的一種，生物反應(yīng)陽極6表面生長有電化學(xué)活性生物膜，電化學(xué)活性生物膜由geobacter菌、shewanella菌和異養(yǎng)菌組成，電化學(xué)生物膜的厚度為0.01-0.1mm。

所述的氮磷結(jié)晶陰極28嵌于反應(yīng)罐體30內(nèi)，內(nèi)側(cè)與污水接觸，外側(cè)與空氣接觸，氮磷結(jié)晶陰極28基體材料為石墨氈或碳氈，氮磷結(jié)晶陰極內(nèi)側(cè)涂有nafion隔膜層，外側(cè)涂有ptfe防水涂層和鉑碳催化劑涂層。

所述的承托頂蓋22設(shè)有液位計8、溶液氧探頭9、取樣口11、nh4⁺儲罐13、酸儲罐15、mg²⁺儲罐17、堿儲罐19、po4^3-儲罐20、刮泥電機21、溫度探頭25和ph探頭26。

所述的集泥斗2底部傾角α為45-65°，刮泥鏟29與氮磷結(jié)晶陰極28夾角β為135°，浮動式載泥板4與集泥斗2初始夾角γ為15-20°。

采用本發(fā)明的生物電化學(xué)裝置，污水從進水口5進入污水處理區(qū)，污水中的有機污染物被生物反應(yīng)陽極6的電化學(xué)活性微生物降解為二氧化碳，有機物氧化降解過程中釋放的電子被生物反應(yīng)陽極6接收，經(jīng)導(dǎo)線14傳遞到氮磷結(jié)晶陰極28，在鉑碳催化劑的催化作用下與空氣中氧氣反應(yīng)生成水，在此過程中，污水中有機污染物被去除，并回收電能。當(dāng)電子在外電路遷移時，污水中的nh4⁺為維持電荷平衡向氮磷結(jié)晶陰極28遷移，與污水中的po4^3-和經(jīng)mg²⁺儲罐17投加入污水中的mg²⁺在氮磷結(jié)晶陰極28發(fā)生生物電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生磷酸銨鎂沉淀并沉積于氮磷結(jié)晶陰極28表面，當(dāng)?shù)捉Y(jié)晶陰極28表面的磷酸銨鎂沉淀達到一定厚度時，刮泥鏟29在刮泥電機21的帶動下將氮磷結(jié)晶陰極28表面的磷酸銨鎂沉淀刮凈，磷酸銨鎂沉淀降落于浮動式載泥板4上，當(dāng)浮動式載泥板4上磷酸銨鎂沉淀積累到一定重量時，浮動式載泥板4下傾，將磷酸銨鎂沉淀傾倒于集泥斗2中并回復(fù)初始位置，浮動式載泥板4與集泥斗2之間的傾角能有效防止磷酸銨鎂沉淀泛起上浮，當(dāng)集泥斗2中磷酸銨鎂沉淀達到一定量時，排泥管1上電磁閥31開啟，將磷酸銨鎂沉淀回收。連接在導(dǎo)線14上的可調(diào)電阻16可調(diào)節(jié)電路中電流，調(diào)控生物電化學(xué)反應(yīng)過程，電流表18可檢測電流大小。承托頂蓋22上的液位計8、溫度探頭25、溶液氧探頭9和ph探頭26可監(jiān)測污水處理過程中的液位、溫度、溶解氧和ph，便于反應(yīng)過程的理化參數(shù)調(diào)控，維持反應(yīng)持續(xù)穩(wěn)定進行。nh4⁺儲罐13和po4^3-儲罐20可根據(jù)廢水中污染物濃度調(diào)節(jié)廢水成分，維持nh4⁺、po4^3-和mg²⁺處于合適的化學(xué)計量比，酸儲罐15和堿儲罐19可調(diào)節(jié)污水ph，調(diào)控氮磷結(jié)晶沉淀反應(yīng)。經(jīng)過處理的污水經(jīng)溢流堰24由出水口23達標(biāo)排放。