一种生物电化学辅助无能耗回收污泥中磷的装置及方法

摘要

本发明公开了一种生物电化学辅助无能耗回收污泥中磷的装置及方法，装置包括反应器和磷回收循环装置，反应器内依次设置阳极室、阴极室和回收室，阳极室内设置阳极电极，阴极室内设置阴极电极，磷回收装置包括：输入端位于所述阴极室内、输出端位于所述回收室上方的第一吸附传送带；输入端位于所述回收室内、输出端位于所述阴极室上方的第二吸附传送带；以及驱动所述第一吸附传送带和第二吸附传送带运行的驱动机构，该驱动机构的电源接口通过导线连接阳极电极和阳极电极。本发明以微生物燃料电池产生电流带动传送带运输，实现污泥中磷的无能耗回收。

说明书

技术领域

本发明涉及微生物燃料电池与磷回收技术，具体涉及一种污泥中磷的生物电化学辅助无耗能回收装置及方法。

背景技术

磷是全球粮食生产一个重要的营养来源，在自然界中，磷主要以磷酸盐的形式存在于矿石，全球的磷矿资源储量不足开采100年，且分布极不平衡，主要分布于摩洛哥(42％)、中国(26％)、美国(7％)、南非(5％)，其他缺乏磷矿资源的国家主要依赖于进口磷资源来满足本国生产需要。磷在自然界中的归趋行为是一种单向迁移转化，它并不能像氮一样进入空气，再从空气进入生物体内，它是一种可贵的不可再生资源。因此，目前磷矿资源已经作为一种稀缺性战略资源得到越来越多的关注和研究。

目前，磷回收方法有化学法或者生物化学相结合的方法。例如磷酸盐处理法、生物富集法、膜分离技术法、吸附法等。

专利CN105198168 A研发了一种集A²/O、MBR与生物接触氧化池优势于一体，成功解决了传统工艺中DPAOS、反硝化菌与硝化菌的竞争性矛盾：一个工艺存在两个污泥龄，将硝化过程从A²/O中分离出去，让污水在生物接触氧化池充分进行消化反应。生物接触氧化池回流回来的硝态氮为A²/O的缺氧区提供了充足的电子受体，为反硝化除磷提供了很好的环境。但该发明只适用于低碳氮比的城市污水除磷处理工艺，应用范围较小，且处理工艺耗时长，完成一个脱磷工艺约14小时。

专利CN105214629 A提供了一种生物质基纳米氧化镧除磷复合吸附剂，该复合吸附剂以生物质阴离子交换树脂为基体，其上负载纳米氧化镧。与现有材料相比，该发明所得生物质复合吸附剂既有强碱季胺基团的静电吸引作用又有纳米氧化镧对磷酸根的特异性专属吸附作用，因此吸附容量大幅提高。然而，该发明制备工艺复杂繁琐、耗时长、单次制备剂量小，还未能实现大规模生产。

专利CN105195207 A提供了一种脱色、脱氮除磷复合催化氧化材料，应用于地表水污染脱色、脱氮除磷的综合治理。该发明制得的复合催化氧化材料具有优越的脱色、脱氮除磷的处理效果，且具有一定的磁性，便于催化后的回收处理。但该发明工艺耗时长，且脱磷率不及20％，效率低下。

发明内容

本发明提供一种生物电化学辅助无能耗回收污泥中磷的装置及方法以微生物燃料电池产生电流带动传送带运输，实现污泥中磷的无能耗回收。同时构建磁场，辅助磁性吸附材料的定向迁移，使得铁磷复合物能够定向移动与其余杂质分开，具有降污、产能、回收磷的三重效益。

一种生物电化学辅助无能耗回收污泥中磷的装置，包括反应器，所述反应器内分隔为沿水平向依次排布的阳极室、阴极室和回收室，阳极室与阴极室之间为阴离子交换膜，阴极室与回收室之间为隔板，阳极室内设置阳极电极，阴极室内设置阴极电极和曝气装置；还包括磷回收循环装置，

所述磷回收装置包括：

输入端位于所述阴极室内、输出端位于所述回收室上方的第一吸附传送带；

输入端位于所述回收室内、输出端位于所述阴极室上方的第二吸附传送带；

驱动所述第一吸附传送带和第二吸附传送带运行的驱动机构，该驱动机构的电源接口通过导线连接阳极电极和阴极电极

设于阴极室内为所述第一吸附传送带提供磁场的第一磁铁和设于回收室内为所述第二吸附传送带提供磁场的第二磁铁；

以及在阴极室和回收室之间循环的磁性吸附颗粒。

第一吸附传送带的输入端通过从动辊安装于所述阴极室内、输出端通过主动辊安装于所述回收室的上方；第二吸附传送带的输入端通过从动辊安装于所述回收室内、输出端通过主动辊安装于所述阴极室的上方；两个吸附传送带的主动辊均与驱动机构相连。

经破碎预处理后的污泥进入阳极室，经产电菌降解有机物产生电子，所获电子通过外电路转移至阴极，形成电流，所产电流用于带动传送带运输。与此同时，磷酸根离子通过阴离子交换膜到达阴极室，阴极室内的磷 酸根离子通过磁性介质以及磁场作用吸附于第一吸附传送带上，由第一吸附传送带的输出端下落至回收室内，在回收室内解析后的介质再由第二吸附传送带输送会阴极室内。

所述驱动机构为电机等常规驱动设备。

优选地，所述第一磁铁设于第一传送带内部；所述第二磁铁设于第二吸附传送带内部。

进一步优选，所述第一磁铁和第二磁铁均为条形磁铁。

磷酸根离子通过阴离子交换膜到达阴极室被磁性吸附剂所吸附。条形磁铁产生磁场，使磁性吸附剂在磁场的作用下定向移动附着至传送带表面。通过传送带运输，从阴极室转移至回收室，吸附剂与磷酸根复合物与解析液相互作用，置换出磷酸根，最终实现磷从污泥中的脱离并且成功与吸附剂表面脱附。经解析后的吸附剂进入回收循环系统，沿第二吸附传送带返回阴极室，实现循环利用。

本发明以微生物燃料电池产生电流带动传送带运输，同时构建磁场，辅助磁性吸附材料的定向迁移，使得铁磷复合物能够定向移动与其余杂质分开，具有降污、产能、回收磷的三重效益

进一步优选地，所述第一磁铁与所述阴离子交换膜之间的垂直间距为第一吸附传送带单向传输长度的1/5～1/3；所述第二磁铁与所述隔板之间的垂直间距为第二吸附传送带单向传输长度的1/5～1/3。

优选地，所述第一吸附传送带和第二吸附传送带的单向传输长度均为阴极室的1/2～1宽度。

优选地，所述第一吸附传送带的输入端安装于所述阴极室内的1/4～2/3高度内；所述第二吸附传送带的输入端安装于所述回收室内的1/4～2/3高度内。

高度过高，则接触面少，吸附量少，降低整体回收速率；高度过低，则传送带阻力过大，阳极所产电的驱动不足，导致传送带转动过慢。具体高度视阳极进水而定，在水质有机物充足，即阳极电子充足前提下，尽量将传送带压低，增大面积，提高吸附量。

优选地，所述阳极电极包括石墨电极、复合在石墨电极表面的生物兼容层以及覆盖在生物兼容层表面的产电菌生物膜。

阳极电极为石墨电极上覆有生物兼容层复合而成的复合电极，所述生 物兼容层表面覆盖产电菌生物膜。

所述生物兼容层选用比表面积大、导电性好以及生物兼容性好的材料，进一步优选为碳系材料(石墨烯、碳纳米管、活性炭)、导电聚合物(聚苯胺)。从价格及稳定性考虑，进一步优选为活性炭。

阴极需要筛选耐腐蚀抗氧化的金属材料并以氧气为电子受体，进一步优选，所述阴极材料为不锈钢电极。

所述的阳极室与阴极室由阴离子交换膜隔离，阳极与阴极间距不超过20cm，距离过大会导致电池内阻过大，从而降低微生物燃料电池电能输出优选地，所述阳极电极与阴极电极的间距为10～20cm。

本发明还提供一种利用所述污泥中磷无能耗回收装置进行污泥中磷回收的方法，包括如下步骤：

(1)将破碎预处理后的污泥上清液送入阳极室，经产电菌降解，所获电子通过外电路转移至阴极，形成电流，同时磷酸根离子通过阴离子交换膜到达阴极室；

(2)第一条形磁铁产生磁场，使吸附有磷酸根的磁性吸附颗粒在磁场的作用下定向移动附着至第一吸附传送带表面，阴极电极与阳极电极之间的电流支持第一吸附传送带运行；

(3)通过第一吸附传送带运输，吸附有磷酸根的磁性吸附颗粒从阴极室转移至回收室上方，回收室上方远离磁场，吸附有磷酸根的磁性吸附颗粒脱离第一吸附传送带并落入回收室内，与回收室内解析液作用实现解析，实现磷从污泥中的脱离并且成功与吸附剂表面脱附；

(4)解析后的磁性吸附颗粒在第二条形磁铁的作用下附着至第二吸附传送带表面，阴极电极与阳极电极之间的电流支持第一吸附传送带运行；磁性吸附颗粒随第二吸附传送带运行至阴极室上方，阴极室上方远离磁场，磁性吸附颗粒从第二吸附传送带上脱落并下落至阴极室内，实现循环利用。

上述步连续且循环进行，持续降解污泥中的有机物，并在阴极室发生吸附反应，于回收室对磷进行回收。

优选地，阴极室内盛装电解质液，所述电解液为M9溶液。

优选地，回收室内的解析液为5％-10％的NaOH溶液。

优选地，为了能够最大程度地吸附磷，所述的吸附材料为磁性铁氧体 吸附剂CMC-CoFe₂O₄，该吸附剂可以通过吸附解析循环利用，不会产生二次污染，且具有磁性，便于后续分离回收，也可采用磁性Fe₃O₄/Beta沸石、纳米结构Fe₃O₄/Y₂O₃磁性颗粒，这些磁性颗粒均为现有方法制备得到或者通过市购途径获得。

本发明处理原理如下：

经破碎预处理后的污泥进入阳极室，经产电菌降解有机物产生电子，所获电子通过外电路转移至阴极，形成电流，所产电流用于带动传送带运输。与此同时，磷酸根离子通过阴离子交换膜到达阴极室被磁性吸附剂所吸附。条形磁铁产生磁场，使磁性吸附剂在磁场的作用下定向移动附着至特制传送带表面。通过传送带运输，从阴极室转移至回收室，吸附剂与磷酸根复合物与解析液相互作用，置换出磷酸根，最终实现磷从污泥中的脱离并且成功与吸附剂表面脱附。经解析后的吸附剂进入回收循环系统，实现循环利用(图2所示为本发明的处理原理图)。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)以MFC反应器降污产电支撑传送带运输，无需外加能源投入。

(2)传送带实现附着、脱附一体化。

(3)磁性吸附剂实现循环利用。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本装置运行原理图。

图中所示附图标记如下：

1-阳极室2-阳极电极3-阴离子交换膜4-阴极室5-第一条形磁铁6-第一吸附传送带7-回收室8-磷酸根9-搅拌器10-反应复合物11-阴极电极12-第二吸附传送带13-第二条形磁铁14-主动辊15-驱动机构

具体实施方式

如图1所示，一种污泥中磷无能耗回收装置，包括反应器和磷循环回收装置，反应器为三室反应器，反应器内依次为阳极室1、阴极室4和回 收室7，阳极室和阴极室之间为阴离子交换膜3，阴极室和回收室之间为隔板(阴极室与回收室之间由有机玻璃隔板分开)，阳极室内设置阳极电极2、阴极室内设置阴极电极11，阳极室内和回收室内均设有搅拌器9，阴极室底部还设置曝气装置(图中未示出。

磷循环回收装置包括第一吸附传送带6、第二吸附传送带12及驱动机构15，第一吸附传送带的输入端通过从动辊安装在阴极室内、输出端通过主动辊安装在回收室上方，第二吸附传送带输入端通过从动辊安装在回收室内、输出端通过主动辊安装在阴极室上方，两个吸附传送带的主动辊均由驱动机构15驱动，驱动机构15的电源接口通过导线连接阳极电极和阴极电极，由电极之间产生的电流供电，为便于附图更清晰，附图1中简化了驱动机构15与传送带之间的连接方式。

第一吸附传送带内且位于阴极室内设置第一条形磁铁5，第二吸附传送带内且位于回收室内设置第二条形磁铁13，由条形磁铁为对应的吸附传送带提供磁场。

第一吸附传送带的输入端安装于阴极室内的1/4～2/3高度内；第二吸附传送带的输入端安装于回收室内的1/4～2/3高度内；第一磁铁与阴离子交换膜之间的垂直间距为第一吸附传送带单向传输长度的1/5～1/3；第二磁铁与隔板之间的垂直间距为第二吸附传送带单向传输长度的1/5～1/3。

破碎后的污泥送入阳极室内，阴极室内盛装电解液M9，回收室内盛装解析液，阴极室内分布用于吸附磷酸根的磁性吸附颗粒10，通过磁性吸附颗粒与磁场的相互作用实现磷酸根离子的回收和磁性吸附颗粒的循环利用。

本发明的工作方式如下：

经预处理后的污泥进入阳极室，经产电菌降解有机物产生电子，所获电子通过外电路转移至阴极，形成电流，用于驱动传送带运输。与此同时，磷酸根离子通过阴离子交换膜到达阴极室被磁性吸附剂所吸附。条形磁铁产生磁场，使磁性吸附剂在磁场的作用下定向移动附着至特制传送带表面。通过传送带运输，从阴极室转移至回收室，吸附剂与磷酸根复合物与解析液相互作用，置换出磷酸根，最终实现磷从污泥中的脱离并且成功与吸附剂表面脱附。经解析后的吸附剂进入回收循环系统，实现循环利用。

应用实例1

实施方式与上述相同，进水COD为3980mg/L，实施例中选用的阴极液为M9溶液，磁性吸附剂为CMC-CoFe₂O₄，初始浓度为2g/L，阴极液体PH为2.5，回收室解析剂为5％的NaOH，传送带传输速率为1m/min，最终阳极液出水COD为388mg/L，产电输出功率为1.2w/m²，脱磷效率为92.32％。

应用实例2

实施方式与上述相同，进水COD为4100mg/L，实施例中选用的阴极液M9溶液，磁性吸附剂为CMC-CoFe₂O₄，初始浓度为2.5g/L，阴极液体PH为2.5，回收室解析剂为5％的NaOH，传送带传输速率为1m/min，最终阳极液出水COD为410mg/L，产电输出功率为1.2w/m²，脱磷效率为95.23％。

以上所述仅为本发明专利的具体实施案例，但本发明专利的技术特征并不局限于此，任何相关领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。