一种电化学同步脱氮除磷装置及城市污水处理方法

摘要

本发明公开了一种电化学同步脱氮除磷装置及城市污水处理方法，属于污水处理技术领域。将电化学水处理技术中所常用的形稳电极、铁电极、铝电极、镁电极与铜修饰不锈钢电极组合，可在同一电解池内进行城市污水的脱氮除磷处理，装置结构简单，操作方便，效率高，出水指标稳定，可实现规模化、自动化污水处理。本发明城市污水处理方法工艺简单，操作方便，节省人力、物力，能耗低，污水污染指标去除率高，城市污水指标化学需氧量、硝酸盐氮、氨氮、总磷的去除率分别可达到92%以上。

说明书

技术领域

本发明属于污水处理技术领域，具体是一种电化学同步脱氮除磷装置及城市污水处理方 法。

背景技术

目前，传统的污水处理工艺能有效地处理污水中的有机物，对氮、磷等营养性物质的处 理效果较差。大量的氮、磷被排出，从而造成水体的富营养化。目前得到应用的污水脱氮除 磷技术以生物法和化学沉淀法为主，但是这些技术在实际运行过程中也存在一些缺点，如会 产生大量难以处置的污泥、生物处理过程的稳定性较差，常规的反硝化过程需要添加碳源， 运行管理较麻烦等问题。如何研究一种城市污水同步脱氮除磷处理工艺，使其工艺简单，处 理效果好，同时能耗与运行费用较低，使用寿命较长，维修方便，是目前急需解决的技术难 题。

电化学是一种有效的污水处理方法。关于电化学用在污水脱氮除磷的研究中也有相关报 道。通常所说的电化学脱氮技术是指利用电化学氧化去除水中的氨氮和电化学还原去除污水 中的硝酸盐、亚硝酸盐等无机氮。通常水中的磷以无机态形式存在为主，采用电絮凝技术除 磷时，其原理是利用铁、铝等阳极材料在电解时产生的金属阳离子或其水合物与水中的磷酸 盐形成沉淀去除污水中的磷。

单独采用化学脱氮或者除磷研究较多，但是结合电化学脱氮与电絮凝除磷技术同时用于 污水脱氮除磷的研究目前较少。Ikematsu等人开展了利用PtIr/Fe/PtIr电极同时对源分离 尿液进行脱氮除磷的研究，在电化学氧化脱氮时将铁电极作为阳极，而在电絮凝除磷时将铁 电极转换为阴极，需要频繁进行电极正负极的更换，操作麻烦，电流效率低；Feng等人将使 用直流电源的铁电极电絮凝工艺和使用脉冲电源的Ti/RuO2电极电化学氧化工艺组合，利用此 工艺对污水进行处理，结果发现对生活污水中的总氮、总磷、氨氮和COD的去除率几乎均达 到90%。中国专利CN103130308B公开了一种电化学废水处理系统及应用其进行废水处理的 方法，主要是利用电絮凝技术对废水进行处理，废水处理系统设备结构复杂，操作不方便， 运行成本高。中国专利CN102718382B公开了一种电化学直接氧化污泥的处理工艺，采用了 两级电化学直接氧化技术对含水率99.6％的污泥进行氧化分解处理，使剩余污泥减量达到95 ％以上，可广泛用于城市生活污水处理厂、城市综合污水处理厂、城市化工污水处理厂的污 泥处理与处置。中国专利CN102010091B公开了一种污水深度处理方法，将污水通过三段不 同电极组成的电解池，通过调整电流密度、停留时间形成三段可选择性污水处理工艺，通过 对城市污水的深度处理，污水指标化学需氧量、硝酸盐氮、氨氮、总磷的去除率分别达到了 79.96%、92.41%、83.93%和95.83%，但工艺复杂，操作不方便，并且污水指标去除率不是很 理想。上述工艺将电絮凝与电氧化水处理技术分开，电絮凝过程中产生的絮体需进行及时沉 淀处理，否则会影响电氧化的处理效率；同时整体工艺流程较长，电流效率较低。

因此，将电絮凝与电氧化水处理技术有机结合，在同一电解池中实现城市污水的同步脱 氮除磷是本领域技术人员的长期追求。

发明内容

本发明所解决的技术问题是针对城市污水中脱氮除磷的技术需求，克服现有电化学方法 脱氮除磷技术在城市污水处理中存在的不足，提供一种处理效果好、能耗与运行费用较低、 工艺简单、操作方便的城市污水电化学同步脱氮除磷装置及污水处理方法。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的技术原理如图1所示：将电化学水处理技术中所常用的形稳电极、铁电极、铝 电极、镁电极与铜修饰不锈钢电极组合，在同一电解池中进行城市污水的脱氮除磷处理。利 用形稳阳极电氧化产生活性氯，活性氯可以将水中的氨氮有效去除；同时利用铁电极电感应 产生铁离子，水解产生铁氧化物，有效去除水中的磷类污染物；利用用镁电极，电解产生的 镁离子，与氨氮生成鸟粪石类，有效去除氨氮类污染物；利用阴极的铜修饰的不锈钢电极可 将硝酸盐或亚硝酸盐氮还原为氮气。

本发明首要目的是提供一种城市污水电化学同步脱氮除磷装置。

所述装置如图2所示，包括电解池1、直流电源10和污水箱9；

所述电解池1设置锥形底2，便于絮凝和氧化沉淀收集；所述锥形底2底部与三通阀3 焊接，所述三通阀3分别与排污管4和出水管5活动连接；

所述锥形底2以上的电解池1侧壁设置进水口，所述进水口与进水管6固定焊接，所述 进水管6上设置流量计7，所述流量计7与污水泵8出口通过进水管6活动连接，所述污水 泵8进口通过水管与污水箱9出水口阀门21活动连接；

所述锥形底2一侧设置曝气装置，所述曝气装置由密闭漏斗18和曝气管17组成，所述 密闭漏斗18和曝气管17固定焊接，所述密闭漏斗18的底面和侧面均匀设置圆形曝气孔19， 所述曝气孔19直径为1-3mm，优选地为2mm，所述曝气管17上设置止回阀20；

所述电解池1上部水平固定设置电极固定架16，所述电极固定架16自左向右依次设置 铜修饰不锈钢电极12、铁电极13、铝电极14、形稳电极11、铁电极13、镁电极15和铜修 饰不锈钢电极12，上述电极与电极固定架16活动连接，上述电极间的距离为10-30mm，优选 20mm,其中形稳电极11与直流电源10的正极连接，铜修饰不锈钢电极12与直流电源10的负 极相连接，铁电极13、铝电极14、镁电极15作为感应电极不与直流电源的正负极相连接， 通过电化学感应的方法产生铁、铝、镁离子，然后水解生成铁、铝和镁的氧化物，将废水中 的磷混凝沉淀去除。

所述铜修饰不锈钢电极采用电沉积的方法制备，其中，铜和不锈钢的质量比为：1:10-100；

本发明另一目的是利用上述装置，提供一种城市污水电化学同步脱氮除磷的方法，包括 如下步骤：

1）开启污水箱出水口阀门，启动污水泵，将待处理污水泵入电解池，污水量为电解池总 容量的75%，进水完毕关闭污水泵和污水箱出口阀门；

所述污水pH值为5-8；

所述污水中氯离子浓度≤10g/L；

所述污水中氨氮质量浓度≤2000mg/L；

所述污水中磷质量浓度≤200mg/L；

2）开启直流电源，调节电流密度为0.5-80mA/cm²，进行电化学处理10-30min，同时向 曝气装置通入压缩空气，曝气量为1.0-1.2L空气/min.L污水，如果处理时间达到15min以 上，每15min倒换电极一次；

优选地，电流密度为15-35mA/cm²；

3）电化学处理完毕关闭直流电源和压缩空气，将电解池锥形底三通阀开启至排污管，氮 磷沉淀物通过排污管进行收集，进一步固液分离，处理水达标排放，固体自然风干用作有机 肥料；

4）锥形底氮磷沉淀物排放完毕后,将电解池锥形底三通阀开启至出水管，收集经处理的 污水，进一步固液分离，处理水可达标排放，固体自然风干用作有机肥料。

经上述方法处理，城市污水指标化学需氧量、硝酸盐氮、氨氮、总磷的去除率分别可达 到92%以上。

有益效果：

1.本发明城市污水电化学同步脱氮除磷装置将电化学水处理技术中所常用的形稳电极、 铁电极、铝电极、镁电极与铜修饰不锈钢电极组合，可在同一电解池内进行城市污水的脱氮 除磷处理，装置结构简单，操作方便，效率高，出水指标稳定，可实现规模化、自动化污水 处理。

2.本发明城市污水电化学同步脱氮除磷装置设置的锥形底和排污管易于电絮凝和电氧化 产生的絮状物沉淀、排放，缩短了处理水静置、澄清时间，提高了后续固液分离效率。

3.本发明城市污水电化学同步脱氮除磷装置设置的曝气装置缓冲作用强，进气稳定、分 布均匀，空气扰动作用大，增加了溶氧量，提高了对金属阳离子的氧化效果，有利于脱氮除 磷，同时使污水溶液电导率增加，电解过程所需电耗低，提高了电流效率，并能缓解电极表 面钝化。

4.本发明城市污水处理方法工艺简单，操作方便，节省人力、物力，能耗低，污水污染 指标去除率高，可达到92%以上。

附图说明

图1是本发明技术原理图

图2是本发明城市污水电化学同步脱氮除磷装置

图中：1-电解池，2-锥形底，3-三通阀，4-排污管，5-出水管，6-进水管，7-流量计 8-污水泵，9-污水箱，10-直流电源，11-形稳电极，12-铜修饰不锈钢电极，13-铁电极 14-铝电极，15-镁电极，16-电极固定架，17-曝气管，18-密闭漏斗，19-曝气孔，20-止回阀 21-阀门

具体实施方式

下面通过具体的实施方案叙述本发明。除非特别说明，本发明中所用的技术手段均为本 领域技术人员所公知的方法。另外，实施方案应理解为说明性的，而非限制本发明的范围， 本发明的实质和范围仅由权利要求书所限定。对于本领域技术人员而言，在不背离本发明实 质和范围的前提下，对这些实施方案中的物料成分和用量进行的各种改变或改动也属于本发 明的保护范围。

实施例1一种城市污水电化学同步脱氮除磷装置

所述装置如图2所示，电解池1设置锥形底2，便于絮凝和氧化沉淀收集；所述锥形底2 底部与三通阀3焊接，所述三通阀3分别与排污管4和出水管5活动连接；

所述锥形底2以上的电解池1侧壁设置进水口，所述进水口与进水管6固定焊接，所述 进水管6上设置流量计7，所述流量计7与污水泵8出口通过进水管6活动连接，所述污水 泵8进口通过水管与污水箱9出水口阀门21活动连接；

所述锥形底2一侧设置曝气装置，所述曝气装置由密闭漏斗18和曝气管17组成，所述 密闭漏斗18和曝气管17固定焊接，所述密闭漏斗18的底面和侧面均匀设置圆形曝气孔19， 所述曝气孔19直径为2mm，所述曝气管17上设置止回阀20；

所述电解池1上部水平固定设置电极固定架16，所述电极固定架16自左向右依次设置 铜修饰不锈钢电极12、铁电极13、铝电极14、形稳电极11、铁电极13、镁电极15和铜修 饰不锈钢电极12，上述电极与电极固定架16活动连接，上述电极间的距离为20mm,其中形稳 电极11与直流电源10的正极连接，铜修饰不锈钢电极12与直流电源10的负极相连接，铁 电极13、铝电极14、镁电极15作为感应电极不与直流电源的正负极相连接，通过电化学感 应的方法产生铁、铝、镁离子，然后水解生成铁、铝和镁的氧化物，将废水中的磷混凝沉淀 去除。

利用实施例1城市污水电化学同步脱氮除磷装置，采用本发明城市污水电化学同步脱氮 除磷方法对某一污水处理厂的膜生物反应器（MBR）出水进行处理，处理过程及效果如下（实 施例2；实施例3；实施例4；实施例5；实施例6；实施例7）：污水水质情况如表1

表1

pH值 7.1 氯离子(mg/L) 66.8 化学需氧量(mg/L) 92.5 硝酸盐氮(mg/L) 17.6 氨氮(mg/L) 12.8 总磷(mg/L) 8.4

实施例2

开启污水箱出水口阀门，启动污水泵，将待处理污水泵入电解池，污水量为电解池总容 量的75%，进水完毕关闭污水泵和污水箱出口阀；开启直流电源，调节电流密度为25mA/cm²， 进行电化学处理15min，此时，倒换电极处理5min，整个过程向曝气装置通入压缩空气，曝 气量为1.0L空气/min.L污水；接着关闭直流电源和压缩空气，将电解池锥形底三通阀开启至 排污管，收集氮磷沉淀物；然后将电解池锥形底三通阀开启至出水管，收集经处理的污水， 进一步固液分离，处理水可达标排放。

经上述方法处理，处理水污染指标如表2

表2

注：电极钝化程度由轻到重依次为：轻微、正常、较正常、严重四种情况。

以上结果表明：采用本发明装置和污水处理方法，对膜生物反应器（MBR）出水进行处理， 可有效去除污水污染指标，化学需氧量、硝酸盐氮、氨氮、总磷等进水指标的去除率达到95% 以上，效果显著，可实现处理水达标排放。

实施例3

开启污水箱出水口阀门，启动污水泵，将待处理污水泵入电解池，污水量为电解池总容 量的75%，进水完毕关闭污水泵和污水箱出口阀；开启直流电源，调节电流密度为15mA/cm²， 进行电化学处理10min，整个过程向曝气装置通入压缩空气，曝气量为1.2L空气/min.L污水； 接着关闭直流电源和压缩空气，将电解池锥形底三通阀开启至排污管，收集氮磷沉淀物；然 后将电解池锥形底三通阀开启至出水管，收集经处理的污水，进一步固液分离，处理水可达 标排放。

经上述方法处理，处理水污染指标如表3

表3

注：电极钝化程度由轻到重依次为：轻微、正常、较正常、严重四种情况。

以上结果表明：采用本发明装置和污水处理方法，对膜生物反应器（MBR）出水进行处理， 可有效去除污水污染指标，化学需氧量、硝酸盐氮、氨氮、总磷等进水指标的去除率达到94% 以上，效果显著，可实现处理水达标排放。

实施例4

开启污水箱出水口阀门，启动污水泵，将待处理污水泵入电解池，污水量为电解池总容 量的75%，进水完毕关闭污水泵和污水箱出口阀；开启直流电源，调节电流密度为35mA/cm²， 进行电化学处理15min，此时，倒换电极处理15min，整个过程向曝气装置通入压缩空气，曝 气量为1.0L空气/min.L污水；接着关闭直流电源和压缩空气，将电解池锥形底三通阀开启至 排污管，收集氮磷沉淀物；然后将电解池锥形底三通阀开启至出水管，收集经处理的污水， 进一步固液分离，处理水可达标排放。

经上述方法处理，处理水污染指标如表4

注：电极钝化程度由轻到重依次为：轻微、正常、较正常、严重四种情况。

以上结果表明：采用本发明装置和污水处理方法，对膜生物反应器（MBR）出水进行处理， 可有效去除污水污染指标，化学需氧量、硝酸盐氮、氨氮、总磷等进水指标的去除率达到95% 以上，效果显著，可实现处理水达标排放。

实施例5

开启污水箱出水口阀门，启动污水泵，将待处理污水泵入电解池，污水量为电解池总容 量的75%，进水完毕关闭污水泵和污水箱出口阀；开启直流电源，调节电流密度为0.5mA/cm²， 进行电化学处理10min，整个过程向曝气装置通入压缩空气，曝气量为1.0L空气/min.L污水； 接着关闭直流电源和压缩空气，将电解池锥形底三通阀开启至排污管，收集氮磷沉淀物；然 后将电解池锥形底三通阀开启至出水管，收集经处理的污水，进一步固液分离，处理水可达 标排放。

经上述方法处理，处理水污染指标如表5

表5

注：电极钝化程度由轻到重依次为：轻微、正常、较正常、严重四种情况。

以上结果表明：采用本发明装置和污水处理方法，对膜生物反应器（MBR）出水进行处理， 可有效去除污水污染指标，化学需氧量、硝酸盐氮、氨氮、总磷等进水指标的去除率达到92% 以上，效果显著，可实现处理水达标排放。

实施例6

开启污水箱出水口阀门，启动污水泵，将待处理污水泵入电解池，污水量为电解池总容 量的75%，进水完毕关闭污水泵和污水箱出口阀；开启直流电源，调节电流密度为50mA/cm²， 进行电化学处理15min，此时，倒换电极处理5min,整个过程向曝气装置通入压缩空气，曝气 量为1.2L空气/min.L污水；接着关闭直流电源和压缩空气，将电解池锥形底三通阀开启至排 污管，收集氮磷沉淀物；然后将电解池锥形底三通阀开启至出水管，收集经处理的污水，进 一步固液分离，处理水可达标排放。

经上述方法处理，处理水污染指标如表6

表6

注：电极钝化程度由轻到重依次为：轻微、正常、较正常、严重四种情况。

以上结果表明：采用本发明装置和污水处理方法，对膜生物反应器（MBR）出水进行处理， 可有效去除污水污染指标，化学需氧量、硝酸盐氮、氨氮、总磷等进水指标的去除率达到93% 以上，效果显著，可实现处理水达标排放。

实施例7

开启污水箱出水口阀门，启动污水泵，将待处理污水泵入电解池，污水量为电解池总容 量的75%，进水完毕关闭污水泵和污水箱出口阀；开启直流电源，调节电流密度为80mA/cm²， 进行电化学处理10min，整个过程向曝气装置通入压缩空气，曝气量为1.0L空气/min.L污水； 接着关闭直流电源和压缩空气，将电解池锥形底三通阀开启至排污管，收集氮磷沉淀物；然 后将电解池锥形底三通阀开启至出水管，收集经处理的污水，进一步固液分离，处理水可达 标排放。

经上述方法处理，处理水污染指标如表7

表7

注：电极钝化程度由轻到重依次为：轻微、正常、较正常、严重四种情况。

以上结果表明：采用本发明装置和污水处理方法，对膜生物反应器（MBR）出水进行处理， 可有效去除污水污染指标，化学需氧量、硝酸盐氮、氨氮、总磷等进水指标的去除率达到92% 以上，效果显著，可实现处理水达标排放。

实施例2-7的污水处理效果同样表明：同样采用本发明城市污水电化学同步脱氮除磷装 置情况下，本发明污水处理方法可促进污水指标去除率的提高，其中优选方案（实施例2-4） 比普通方案（实施例5-7）平均提高2-3%。

实施例8

仅单独以形稳电极和铜修饰不锈钢电极分别作为阳极和阴极，不采用本发明电化学水处 理装置，采用实施例2污水处理工艺对膜生物反应器（MBR）出水进行处理，形成对比例2，

污水污染指标化学需氧量、硝酸盐氮、氨氮、总磷等进水指标的去除率如表8

表8

项目 实施例2（%） 对比例2（%） 降低（%） 化学需氧量 96 81 15 硝酸盐氮 98 84 14 氨氮 97 82 15 总磷 100 90 10

以上结果表明：本发明城市污水电化学同步脱氮除磷装置对城市污水处理效果的优劣起 着重要作用，同样工艺条件下，对同一水质的污水，化学需氧量、硝酸盐氮、氨氮、总磷等 污染指标的去除率可提高10-15%。

实施例9

采用实施例2的污水处理装置和工艺，对某一严重污染的城市污水进行处理，处理结果 如表9

表9

以上结果表明：当城市污水严重污染时，采用本发明污水处理装置和处理方法进行污水 处理，化学需氧量、硝酸盐氮、氨氮、总磷等进水指标的去除率达到92%以上，效果显著， 仍可实现处理水达标排放。