CN110240367B - 一种碳氮磷同步高效去除的污水处理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种碳氮磷同步高效去除的污水处理系统及方法，其系统包括依次连通的原水桶、阳极室、光合反应池和汲取液池，在所述阳极室与光合反应池之间设置有阴离子交换膜，在所述光合反应池与汲取液池之间设置有正渗透膜；在所述阳极室内设置有阳极，所述光合反应池盛装有微藻悬浮液；所述汲取液池盛装有汲取液，在汲取液池内设有阴极，所述阴极通过外电路与所述阳极室内的阳极相连。本发明通过将正渗透技术、微藻脱氮除磷技术与生物电化学技术有机结合，在实现污水同步脱除碳氮磷和藻水高效分离的同时能够对正渗透膜藻源污染进行有效地控制，本发明操作简单，控制方便，污水处理效率高，具有广阔的应用前景。

Description

一种碳氮磷同步高效去除的污水处理系统及方法

技术领域

本发明涉及一种污水生物处理技术，具体地说涉及一种碳氮磷同步高效去除的污水处理系统及方法。

背景技术

随着我国人口数量的持续增加和工农业生产的快速发展，人类生产和生活污水的排放日益增多，大量的环境污染物排放到水体中，导致受纳水体环境加速恶化，近年来，我国的水域环境富营养化呈现出加速恶化的趋势，地表水体的富营养化已经成为了我国水污染的核心问题之一。水体中的氮、磷等污染物是导致水体富营养化的关键因子，而大量含氮、磷污水的排放是导致受纳水体中氮、磷污染物浓度增高的主要原因，研发经济高效的脱氮除磷技术将成为解决我国水污染问题的重要任务之一。

目前，我国污水厂广泛采用的脱氮除磷工艺有A²/O、SBR和氧化沟工艺，这些传统的脱氮除磷工艺虽然技术成熟、工艺稳定，但仍存在氮磷同时去除效果不佳、投资运行成本高和回收利用率低等一系列问题。藻类可以通过光合作用有效吸收水体中氮磷等营养物质，在完成自身的生长代谢的同时能够实现氮磷的有效去除，此外，微藻具有油脂含量高，生长速率快，被认为是最具发展前景的生物柴油原料。

利用微藻处理污水，可同步实现污水中氮磷的高效去除和微藻生物量的收获，然而微藻细胞个体微小，密度接近于水，表面带负电荷，这些特性使得微藻细胞在水中处于较稳定的悬浮状态，很难像活性污泥那样通过重力沉淀而实现自然分离，藻水分离不完全会导致藻细胞大量流失，从而影响系统的处理效果和稳定性。此外，由于大部分微藻属于自养型生物，对有机污染物去除能力有限，且有机物浓度过高会抑制微藻的生长，因此，微藻污水处理系统往往作为好氧二级污水处理系统的后置单元，用于对二级出水中氮磷的去除，微藻对氮源的利用先后顺序为氨氮>有机氮>硝酸盐氮>亚硝酸盐氮，城市污水中的氮源主要以氨氮和有机氮的形式存在，污水经过二级好氧系统处理后，90%以上的氨氮和有机氮被氧化为不易被藻类利用的硝酸盐氮或亚硝酸盐氮，从而导致微藻处理系统脱氮效率的降低，同时，污水中存在大量有毒有害物质，会导致微藻活性和繁殖力的下降，这也会影响系统的氮磷去除效率。

将膜过滤技术与微藻污水处理技术相结合，能够有效解决传统微藻污水处理技术存在的藻水分离难和生物量低的问题，然而传统的超滤和微滤膜对低分子量的有机物和氮磷营养盐等污染物不能实现有效的截留，当系统中微藻对污染物去除效果不佳时，出水水质会受到影响。此外，超滤和微滤膜必须在外加压力驱动的作用下才能实现藻水分离，这样不仅会产生高昂的操作成本还会导致严重的膜污染，进一步增加系统的运行和维护费用。

发明内容

本发明的目的就是提供一种碳氮磷同步高效去除的污水处理系统及方法，以解决现有微藻污水处理系统中微藻活性低，氮磷去除效率低、用于藻水分离的传统膜过滤技术中膜污染严重和高成本的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种碳氮磷同步高效去除的污水处理系统，包括依次连通的原水桶、阳极室、光合反应池和汲取液池，在所述阳极室与光合反应池之间设置有阴离子交换膜，在所述光合反应池与汲取液池之间设置有正渗透膜；

在所述阳极室内设置有阳极，在阳极表面附着有厌氧菌和产电菌；在所述阳极室上设置有阳极室进水管和阳极室出水管，阳极室进水管与所述原水桶相连通，阳极室出水管与所述光合反应池相连通；

所述光合反应池盛装有微藻悬浮液，在光合反应池的底部设有曝气装置；

所述汲取液池盛装有汲取液，在汲取液池内设有阴极，所述阴极通过外电路与所述阳极室内的阳极相连，在所述外电路上设置有负载；所述汲取液池配置有电导率在线调节装置，在汲取液池的顶部设有汲取液池出水管。

所述阳极由碳布、碳毡、碳纸、碳刷或石墨板制成，阳极设置在阳极室的中部。

在所述阳极室进水管与原水桶之间设有进水泵，在所述光合反应池的顶部设有液位控制器，所述液位控制器与进水泵电连接，液位控制器用来监测光合反应池的液面并根据液面高度控制进水泵的运行。

所述曝气装置与气泵相连，曝气装置用于向光合反应池提供二氧化碳内并使微藻悬浮液混合完全。

所述汲取液池的阴极采用碳布或碳纸制成，阴极设置在汲取液池与正渗透膜相对的侧壁中，阴极面向外侧空气的一面涂有碳基层和聚四氟乙烯层，阴极面向汲取液的一面涂有Pt/C催化剂层。

一种碳氮磷同步高效去除的污水处理方法，包括以下步骤：

a、设置上述污水处理系统；

b、开启进水泵使原水桶中的污水进入阳极室，阳极表面附着的厌氧菌和产电菌将污水中的部分碳氮磷有机物降解，同时产电菌产生电子并将电子传递至阳极，使阳极和阴极之间形成内电场；

c、经阳极室处理的污水进入光合反应池后，在微藻的光合作用下消耗污水中的氨氮和磷，在光合反应池中未被完全去除的NO₃ ^-和NO₂ ^-在内电场的作用下通过阴离子交换膜进入阳极室，然后在厌氧菌的作用下得到进一步去除；

d、光合反应池中的水分子在汲取液渗透压作用下透过正渗透膜进入汲取液池，然后通过汲取液池顶部的汲取液出水管实现溢流出水。

曝气装置为微藻提供二氧化碳并使污水中的有机物与微藻充分混合接触。

内电场使带负电的有机物远离正渗透膜，抑制正渗透膜污染。

本发明的有益效果是：本发明设置的阳极室、光合反应池和汲取液池分别起到降解有机物、脱氮除磷和藻水分离的作用，三个反应室联合作用能够实现污水中碳氮磷的同步高效去除。阳极室内的产电微生物能有效降解污水中的有机物并产生电能，同时阳极室的厌氧环境能够避免污水中的氨氮被氧化成为不易于藻类利用的硝态氮，光合反应池内的微藻代谢能够实现污水中氮磷污染物的高效去除，正渗透膜的截留作用能使藻水高效分离最终实现系统高质出水。此外，阳极材料和阴极材料之间产生的内电场能够对微藻细胞产生电刺激作用，能够有效提高微藻的活性，从而提升污染物去除效率，电场能够驱动光合反应池未被完全去除的NO₃ ^- 和NO₂ ^- 透过阴离子交换膜进入厌氧阳极室，使其得到进一步去除。阳极和阴极之间产生的电场还能驱动附着在正渗透膜表面的膜面污染物脱离膜表面，从而减缓膜污染的发生。

本发明通过将正渗透技术、微藻脱氮除磷技术与生物电化学技术有机结合，在实现污水同步脱除碳氮磷和藻水高效分离的同时能够对正渗透膜藻源污染进行有效地控制，本发明操作简单，控制方便，污水处理效率高，具有广阔的应用前景，为污水中碳氮磷污染物的高效去除提供了一个有效的途径。

附图说明

图1为本发明污水处理系统的结构示意图。

图中：1—原水桶；2—进水泵；3—阳极室；4—阳极室进水管；5—阳极；6—阳极室出水管；7—阴离子交换膜；8—光合反应池；9—曝气装置；10—气泵；11—液位控制器；12—正渗透膜；13—汲取液池；14—汲取液池出水管；15—阴极；16—电导率在线调节装置；17—导线；18—负载。

具体实施方式

如图1所示，本发明污水碳氮磷同步高效去除的一体式正渗透膜-光合生物电化学系统包括依次连通的原水桶1、阳极室3、光合反应池8和汲取液池13；阳极室1、光合反应池8和汲取液池13并排平行设置，阳极室1和光合反应池8之间用阴离子交换膜7隔开，光合反应池8与汲取液池13之间用正渗透膜12隔开。在本实施例中，原水桶1、阳极室3、光合反应池8和汲取液池13的池体均由有机玻璃制成，阳极室3、光合反应池8和汲取液池13的体积分别为5L、5L和2.5L，阳极室3和光合反应池8的长、宽、高均分别为18cm、10cm和28cm，汲取液池13的长、宽、高分别为18cm、5cm和28cm。

在阳极室3内设置有阳极5，在阳极5表面附着有厌氧菌和产电菌，厌氧菌为反硝化菌等；阳极室进水管4和阳极室出水管6分别位于阳极室1的左侧壁下部和右侧壁上部，进水泵2的进水端与原水桶1出水管连接，进水泵2的出水端与阳极室进水管4连接。阳极材料由碳布、碳毡、碳纸、碳刷或石墨板制成，阳极设置在阳极室的中心轴位置。

光合反应池8盛装有微藻悬浮液，在光合反应池8的底部设有曝气装置9；曝气装置9与气泵10相连，曝气装置9用于向光合反应池8提供二氧化碳内并使微藻悬浮液混合完全。光合反应池的顶部设有液位控制器（液位继电器）11，液位控制器11与进水泵2电连接，液位控制器11用来监测光合反应池8的液面并根据液面高度控制进水泵2的运行。

汲取液池13盛装有汲取液，在汲取液池13内设有阴极15，阴极15通过导线17与阳极室内的阳极5相连，在导线17上设置有负载18。阴极15位于汲取液池侧壁，正渗透膜12的对面，阴极15可由碳布或碳纸涂刷防水透气层和催化剂层制成。阳极5和阴极15之间的距离为17cm。汲取液池13配置有电导率在线调节装置16，电导率在线调节装置16的探头浸没在汲取液内，在线监测汲取液的电导率并控制高浓度汲取液的投加量来调节汲取液池中汲取液的电导率，使其维持在规定范围。在汲取液池的顶部设有汲取液池出水管14。

本发明应用时，进水泵2将原水桶1中含有有机物、氨氮和磷的污水通过阳极室进水管4打入阳极室3，阳极室3内的阳极5表面附着的普通厌氧菌和产电菌将污水中的部分有机物降解，产电菌在降解有机物的同时产生电子并将电子传递至阳极材料，进而通过外电路传递至阴极15形成电流，在阳极5和阴极15之间形成内电场。

在光合反应池8中小球藻在光照条件下进行光合作用消耗污水中的氨氮和磷，实现氮磷的有效去除。此外，在光合反应池8中未被完全去除的NO₃ ^-和NO₂ ^-会在电场力的作用通过阴离子交换膜7进入厌氧阳极室3，在反硝化菌的作用下得到进一步的去除。气泵10将空气通过光合反应池8底部的曝气装置9打入光合反应池8，曝气作用能够为微藻提供CO₂，保证微藻混合液处于完全混合状态，防止微藻下沉，同时其扰动作用能够促进污染物与微藻之间的接触，提高污染物去除效率。

光合反应池8中的水分子在汲取液池13内汲取液渗透压作用的驱动下透过正渗透膜12进入汲取液池13，通过汲取液出水管14实现溢流出水，正渗透膜12能够高效截留光合反应池8中未去除的有机物和氮磷营养盐等污染物，保证高质量的出水。在运行过程中微藻细胞和微藻胞外有机物等带负电荷的污染物会在正渗透膜12表面黏附沉积造成膜污染，影响膜出水通量，而在本发明系统中阳极5和阴极15之间产生的电场能够使这些带负电的关键膜污染物受到远离膜表面方向的电场力，起到抑制膜污染的作用。此外，电场的作用可刺激微藻的代谢活性，强化微藻对氮磷营养盐的去除。该系统收集的微藻可用于生物柴油的制备，实现污水中污染物的资源化利用。

Claims (6)

1.一种碳氮磷同步高效去除的污水处理系统，其特征是，包括依次连通的原水桶、阳极室、光合反应池和汲取液池，在所述阳极室与光合反应池之间设置有阴离子交换膜，在所述光合反应池与汲取液池之间设置有正渗透膜；

在所述阳极室内设置有阳极，在阳极表面附着有厌氧菌和产电菌；在所述阳极室上设置有阳极室进水管和阳极室出水管，阳极室进水管与所述原水桶相连通，阳极室出水管与所述光合反应池相连通；

所述光合反应池盛装有微藻悬浮液，在光合反应池的底部设有曝气装置；

所述汲取液池盛装有汲取液，在汲取液池内设有阴极，所述阴极通过外电路与所述阳极室内的阳极相连，在所述外电路上设置有负载；所述汲取液池配置有电导率在线调节装置，在汲取液池的顶部设有汲取液池出水管；

所述阳极由碳布、碳毡、碳纸、碳刷或石墨板制成，阳极设置在阳极室的中部；

在所述阳极室进水管与原水桶之间设有进水泵，在所述光合反应池的顶部设有液位控制器，所述液位控制器与进水泵电连接，液位控制器用来监测光合反应池的液面并根据液面高度控制进水泵的运行。

2.根据权利要求1所述碳氮磷同步高效去除的污水处理系统，其特征是，所述曝气装置与气泵相连，曝气装置用于向光合反应池提供二氧化碳并使微藻悬浮液混合完全。

3.根据权利要求1所述碳氮磷同步高效去除的污水处理系统，其特征是，所述汲取液池的阴极采用碳布或碳纸制成，阴极设置在汲取液池与正渗透膜相对的侧壁中，阴极面向外侧空气的一面涂有碳基层和聚四氟乙烯层，阴极面向汲取液的一面涂有Pt/C催化剂层。

4.一种碳氮磷同步高效去除的污水处理方法，其特征是，包括以下步骤：

a、设置权利要求1~3任一所述污水处理系统；

b、开启进水泵使原水桶中的污水进入阳极室，阳极表面附着的厌氧菌和产电菌将污水中的部分碳氮磷有机物降解，同时产电菌产生电子并将电子传递至阳极，使阳极和阴极之间形成内电场；

c、经阳极室处理的污水进入光合反应池后，在微藻的光合作用下消耗污水中的氨氮和磷，在光合反应池中未被完全去除的NO₃ ^-和NO₂ ^-在内电场的作用下通过阴离子交换膜进入阳极室，然后在厌氧菌的作用下得到进一步去除；

d、光合反应池中的水分子在汲取液渗透压作用下透过正渗透膜进入汲取液池，然后通过汲取液池顶部的汲取液出水管实现溢流出水。

5.根据权利要求4所述的碳氮磷同步高效去除的污水处理方法，其特征是，曝气装置为微藻提供二氧化碳并使污水中的有机物与微藻充分混合接触。

6.根据权利要求4所述的碳氮磷同步高效去除的污水处理方法，其特征是，内电场使带负电的有机物远离正渗透膜，抑制正渗透膜污染。