申請(qǐng)日2016.05.16

　　公開(公告)日2016.09.07

　　IPC分類號(hào)C02F11/00; C02F11/02; C02F101/10

　　摘要

　　本發(fā)明公開了一種生物電化學(xué)輔助無能耗回收污泥中磷的裝置及方法，裝置包括反應(yīng)器和磷回收循環(huán)裝置，反應(yīng)器內(nèi)依次設(shè)置陽極室、陰極室和回收室，陽極室內(nèi)設(shè)置陽極電極，陰極室內(nèi)設(shè)置陰極電極，磷回收裝置包括：輸入端位于所述陰極室內(nèi)、輸出端位于所述回收室上方的第一吸附傳送帶;輸入端位于所述回收室內(nèi)、輸出端位于所述陰極室上方的第二吸附傳送帶;以及驅(qū)動(dòng)所述第一吸附傳送帶和第二吸附傳送帶運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，該驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的電源接口通過導(dǎo)線連接陽極電極和陽極電極。本發(fā)明以微生物燃料電池產(chǎn)生電流帶動(dòng)傳送帶運(yùn)輸，實(shí)現(xiàn)污泥中磷的無能耗回收。

　　權(quán)利要求書

　　1.一種生物電化學(xué)輔助無能耗回收污泥中磷的裝置，包括反應(yīng)器，所述反應(yīng)器內(nèi)分隔為沿水平向依次排布的陽極室、陰極室和回收室，陽極室與陰極室之間為陰離子交換膜，陰極室與回收室之間為隔板，陽極室內(nèi)設(shè)置陽極電極，陰極室內(nèi)設(shè)置陰極電極和曝氣裝置;其特征在于，還包括磷回收循環(huán)裝置，所述磷回收裝置包括：

　　輸入端位于所述陰極室內(nèi)、輸出端位于所述回收室上方的第一吸附傳送帶;

　　輸入端位于所述回收室內(nèi)、輸出端位于所述陰極室上方的第二吸附傳送帶;

　　驅(qū)動(dòng)所述第一吸附傳送帶和第二吸附傳送帶運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，該驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的電源接口通過導(dǎo)線連接陽極電極和陰極電極

　　設(shè)于陰極室內(nèi)為所述第一吸附傳送帶提供磁場(chǎng)的第一磁鐵和設(shè)于回收室內(nèi)為所述第二吸附傳送帶提供磁場(chǎng)的第二磁鐵;

　　以及在陰極室和回收室之間循環(huán)的磁性吸附顆粒。

　　2.根據(jù)權(quán)利要求1所述裝置，其特征在于，所述第一磁鐵設(shè)于第一傳送帶內(nèi)部;所述第二磁鐵設(shè)于第二吸附傳送帶內(nèi)部。

　　3.根據(jù)權(quán)利要求2所述裝置，其特征在于，所述第一磁鐵與所述陰離子交換膜之間的垂直間距為第一吸附傳送帶單向傳輸長(zhǎng)度的1/5～1/3;所述第二磁鐵與所述隔板之間的垂直間距為第二吸附傳送帶單向傳輸長(zhǎng)度的1/5～1/3。

　　4.根據(jù)權(quán)利要求1所述裝置，其特征在于，所述第一吸附傳送帶和第二吸附傳送帶的單向傳輸長(zhǎng)度均為陰極室的1/2～1寬度。

　　5.根據(jù)權(quán)利要求1所述裝置，其特征在于，所述第一吸附傳送帶的輸入端安裝于所述陰極室內(nèi)的1/4～2/3高度內(nèi);所述第二吸附傳送帶的輸入端安裝于所述回收室內(nèi)的1/4～2/3高度內(nèi)。

　　6.根據(jù)權(quán)利要求1所述裝置，其特征在于，所述陽極電極包括石墨電極、復(fù)合在石墨電極表面的生物兼容層以及覆蓋在生物兼容層表面的產(chǎn)電菌生物膜。

　　7.根據(jù)權(quán)利要求1所述裝置，其特征在于，所述陽極電極與陰極電極的間距為10～20cm。

　　8.一種利用權(quán)利要求1所述污泥中磷無能耗回收裝置進(jìn)行污泥中磷回收的方法，其特征在于，包括如下步驟：

　　(1)將破碎預(yù)處理后的污泥上清液送入陽極室，經(jīng)產(chǎn)電菌降解，所獲電子通過外電路轉(zhuǎn)移至陰極，形成電流，同時(shí)磷酸根離子通過陰離子交換膜到達(dá)陰極室;

　　(2)第一磁鐵產(chǎn)生磁場(chǎng)，使吸附有磷酸根的磁性吸附顆粒在磁場(chǎng)的作用下定向移動(dòng)附著至第一吸附傳送帶表面，陰極電極與陽極電極之間的電流支持第一吸附傳送帶運(yùn)行;

　　(3)通過第一吸附傳送帶運(yùn)輸，吸附有磷酸根的磁性吸附顆粒從陰極室轉(zhuǎn)移至回收室上方，回收室上方遠(yuǎn)離磁場(chǎng)，吸附有磷酸根的磁性吸附顆粒脫離第一吸附傳送帶并落入回收室內(nèi)，與回收室內(nèi)解析液作用實(shí)現(xiàn)解析，實(shí)現(xiàn)磷從污泥中的脫離并且成功與吸附劑表面脫附;

　　(4)解析后的磁性吸附顆粒在第二磁鐵的作用下附著至第二吸附傳送帶表面，陰極電極與陽極電極之間的電流支持第一吸附傳送帶運(yùn)行;磁性吸附顆粒隨第二吸附傳送帶運(yùn)行至陰極室上方，陰極室上方遠(yuǎn)離磁場(chǎng)，磁性吸附顆粒從第二吸附傳送帶上脫落并下落至陰極室內(nèi)，實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。

　　9.根據(jù)權(quán)利要求8所述方法，其特征在于，陰極室內(nèi)的電解液為M9溶液;回收室內(nèi)的解析液為5%-10%的NaOH溶液;磁性吸附顆粒為磁性鐵氧體吸附劑CMC-CoFe2O4。

　　說明書

　　一種生物電化學(xué)輔助無能耗回收污泥中磷的裝置及方法

　　技術(shù)領(lǐng)域

　　本發(fā)明涉及微生物燃料電池與磷回收技術(shù)，具體涉及一種污泥中磷的生物電化學(xué)輔助無耗能回收裝置及方法。

　　背景技術(shù)

　　磷是全球糧食生產(chǎn)一個(gè)重要的營(yíng)養(yǎng)來源，在自然界中，磷主要以磷酸鹽的形式存在于礦石，全球的磷礦資源儲(chǔ)量不足開采100年，且分布極不平衡，主要分布于摩洛哥(42%)、中國(guó)(26%)、美國(guó)(7%)、南非(5%)，其他缺乏磷礦資源的國(guó)家主要依賴于進(jìn)口磷資源來滿足本國(guó)生產(chǎn)需要。磷在自然界中的歸趨行為是一種單向遷移轉(zhuǎn)化，它并不能像氮一樣進(jìn)入空氣，再從空氣進(jìn)入生物體內(nèi)，它是一種可貴的不可再生資源。因此，目前磷礦資源已經(jīng)作為一種稀缺性戰(zhàn)略資源得到越來越多的關(guān)注和研究。

　　目前，磷回收方法有化學(xué)法或者生物化學(xué)相結(jié)合的方法。例如磷酸鹽處理法、生物富集法、膜分離技術(shù)法、吸附法等。

　　專利CN105198168 A研發(fā)了一種集A2/O、MBR與生物接觸氧化池優(yōu)勢(shì)于一體，成功解決了傳統(tǒng)工藝中DPAOS、反硝化菌與硝化菌的競(jìng)爭(zhēng)性矛盾：一個(gè)工藝存在兩個(gè)污泥齡，將硝化過程從A2/O中分離出去，讓污水在生物接觸氧化池充分進(jìn)行消化反應(yīng)。生物接觸氧化池回流回來的硝態(tài)氮為A2/O的缺氧區(qū)提供了充足的電子受體，為反硝化除磷提供了很好的環(huán)境。但該發(fā)明只適用于低碳氮比的城市污水除磷處理工藝，應(yīng)用范圍較小，且處理工藝耗時(shí)長(zhǎng)，完成一個(gè)脫磷工藝約14小時(shí)。

　　專利CN105214629 A提供了一種生物質(zhì)基納米氧化鑭除磷復(fù)合吸附劑，該復(fù)合吸附劑以生物質(zhì)陰離子交換樹脂為基體，其上負(fù)載納米氧化鑭。與現(xiàn)有材料相比，該發(fā)明所得生物質(zhì)復(fù)合吸附劑既有強(qiáng)堿季胺基團(tuán)的靜電吸引作用又有納米氧化鑭對(duì)磷酸根的特異性專屬吸附作用，因此吸附容量大幅提高。然而，該發(fā)明制備工藝復(fù)雜繁瑣、耗時(shí)長(zhǎng)、單次制備劑量小，還未能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。

　　專利CN105195207 A提供了一種脫色、脫氮除磷復(fù)合催化氧化材料，應(yīng)用于地表水污染脫色、脫氮除磷的綜合治理。該發(fā)明制得的復(fù)合催化氧化材料具有優(yōu)越的脫色、脫氮除磷的處理效果，且具有一定的磁性，便于催化后的回收處理。但該發(fā)明工藝耗時(shí)長(zhǎng)，且脫磷率不及20%，效率低下。

　　發(fā)明內(nèi)容

　　本發(fā)明提供一種生物電化學(xué)輔助無能耗回收污泥中磷的裝置及方法以微生物燃料電池產(chǎn)生電流帶動(dòng)傳送帶運(yùn)輸，實(shí)現(xiàn)污泥中磷的無能耗回收。同時(shí)構(gòu)建磁場(chǎng)，輔助磁性吸附材料的定向遷移，使得鐵磷復(fù)合物能夠定向移動(dòng)與其余雜質(zhì)分開，具有降污、產(chǎn)能、回收磷的三重效益。

　　一種生物電化學(xué)輔助無能耗回收污泥中磷的裝置，包括反應(yīng)器，所述反應(yīng)器內(nèi)分隔為沿水平向依次排布的陽極室、陰極室和回收室，陽極室與陰極室之間為陰離子交換膜，陰極室與回收室之間為隔板，陽極室內(nèi)設(shè)置陽極電極，陰極室內(nèi)設(shè)置陰極電極和曝氣裝置;還包括磷回收循環(huán)裝置，

　　所述磷回收裝置包括：

　　輸入端位于所述陰極室內(nèi)、輸出端位于所述回收室上方的第一吸附傳送帶;

　　輸入端位于所述回收室內(nèi)、輸出端位于所述陰極室上方的第二吸附傳送帶;

　　驅(qū)動(dòng)所述第一吸附傳送帶和第二吸附傳送帶運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，該驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的電源接口通過導(dǎo)線連接陽極電極和陰極電極

　　設(shè)于陰極室內(nèi)為所述第一吸附傳送帶提供磁場(chǎng)的第一磁鐵和設(shè)于回收室內(nèi)為所述第二吸附傳送帶提供磁場(chǎng)的第二磁鐵;

　　以及在陰極室和回收室之間循環(huán)的磁性吸附顆粒。

　　第一吸附傳送帶的輸入端通過從動(dòng)輥安裝于所述陰極室內(nèi)、輸出端通過主動(dòng)輥安裝于所述回收室的上方;第二吸附傳送帶的輸入端通過從動(dòng)輥安裝于所述回收室內(nèi)、輸出端通過主動(dòng)輥安裝于所述陰極室的上方;兩個(gè)吸附傳送帶的主動(dòng)輥均與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)相連。

　　經(jīng)破碎預(yù)處理后的污泥進(jìn)入陽極室，經(jīng)產(chǎn)電菌降解有機(jī)物產(chǎn)生電子，所獲電子通過外電路轉(zhuǎn)移至陰極，形成電流，所產(chǎn)電流用于帶動(dòng)傳送帶運(yùn)輸。與此同時(shí)，磷酸根離子通過陰離子交換膜到達(dá)陰極室，陰極室內(nèi)的磷酸根離子通過磁性介質(zhì)以及磁場(chǎng)作用吸附于第一吸附傳送帶上，由第一吸附傳送帶的輸出端下落至回收室內(nèi)，在回收室內(nèi)解析后的介質(zhì)再由第二吸附傳送帶輸送會(huì)陰極室內(nèi)。

　　所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為電機(jī)等常規(guī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備。

　　優(yōu)選地，所述第一磁鐵設(shè)于第一傳送帶內(nèi)部;所述第二磁鐵設(shè)于第二吸附傳送帶內(nèi)部。

　　進(jìn)一步優(yōu)選，所述第一磁鐵和第二磁鐵均為條形磁鐵。

　　磷酸根離子通過陰離子交換膜到達(dá)陰極室被磁性吸附劑所吸附。條形磁鐵產(chǎn)生磁場(chǎng)，使磁性吸附劑在磁場(chǎng)的作用下定向移動(dòng)附著至傳送帶表面。通過傳送帶運(yùn)輸，從陰極室轉(zhuǎn)移至回收室，吸附劑與磷酸根復(fù)合物與解析液相互作用，置換出磷酸根，最終實(shí)現(xiàn)磷從污泥中的脫離并且成功與吸附劑表面脫附。經(jīng)解析后的吸附劑進(jìn)入回收循環(huán)系統(tǒng)，沿第二吸附傳送帶返回陰極室，實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。

　　本發(fā)明以微生物燃料電池產(chǎn)生電流帶動(dòng)傳送帶運(yùn)輸，同時(shí)構(gòu)建磁場(chǎng)，輔助磁性吸附材料的定向遷移，使得鐵磷復(fù)合物能夠定向移動(dòng)與其余雜質(zhì)分開，具有降污、產(chǎn)能、回收磷的三重效益

　　進(jìn)一步優(yōu)選地，所述第一磁鐵與所述陰離子交換膜之間的垂直間距為第一吸附傳送帶單向傳輸長(zhǎng)度的1/5～1/3;所述第二磁鐵與所述隔板之間的垂直間距為第二吸附傳送帶單向傳輸長(zhǎng)度的1/5～1/3。

　　優(yōu)選地，所述第一吸附傳送帶和第二吸附傳送帶的單向傳輸長(zhǎng)度均為陰極室的1/2～1寬度。

　　優(yōu)選地，所述第一吸附傳送帶的輸入端安裝于所述陰極室內(nèi)的1/4～2/3高度內(nèi);所述第二吸附傳送帶的輸入端安裝于所述回收室內(nèi)的1/4～2/3高度內(nèi)。

　　高度過高，則接觸面少，吸附量少，降低整體回收速率;高度過低，則傳送帶阻力過大，陽極所產(chǎn)電的驅(qū)動(dòng)不足，導(dǎo)致傳送帶轉(zhuǎn)動(dòng)過慢。具體高度視陽極進(jìn)水而定，在水質(zhì)有機(jī)物充足，即陽極電子充足前提下，盡量將傳送帶壓低，增大面積，提高吸附量。

　　優(yōu)選地，所述陽極電極包括石墨電極、復(fù)合在石墨電極表面的生物兼容層以及覆蓋在生物兼容層表面的產(chǎn)電菌生物膜。

　　陽極電極為石墨電極上覆有生物兼容層復(fù)合而成的復(fù)合電極，所述生物兼容層表面覆蓋產(chǎn)電菌生物膜。

　　所述生物兼容層選用比表面積大、導(dǎo)電性好以及生物兼容性好的材料，進(jìn)一步優(yōu)選為碳系材料(石墨烯、碳納米管、活性炭)、導(dǎo)電聚合物(聚苯胺)。從價(jià)格及穩(wěn)定性考慮，進(jìn)一步優(yōu)選為活性炭。

　　陰極需要篩選耐腐蝕抗氧化的金屬材料并以氧氣為電子受體，進(jìn)一步優(yōu)選，所述陰極材料為不銹鋼電極。

　　所述的陽極室與陰極室由陰離子交換膜隔離，陽極與陰極間距不超過20cm，距離過大會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)阻過大，從而降低微生物燃料電池電能輸出優(yōu)選地，所述陽極電極與陰極電極的間距為10～20cm。

　　本發(fā)明還提供一種利用所述污泥中磷無能耗回收裝置進(jìn)行污泥中磷回收的方法，包括如下步驟：

　　(1)將破碎預(yù)處理后的污泥上清液送入陽極室，經(jīng)產(chǎn)電菌降解，所獲電子通過外電路轉(zhuǎn)移至陰極，形成電流，同時(shí)磷酸根離子通過陰離子交換膜到達(dá)陰極室;

　　(2)第一條形磁鐵產(chǎn)生磁場(chǎng)，使吸附有磷酸根的磁性吸附顆粒在磁場(chǎng)的作用下定向移動(dòng)附著至第一吸附傳送帶表面，陰極電極與陽極電極之間的電流支持第一吸附傳送帶運(yùn)行;

　　(3)通過第一吸附傳送帶運(yùn)輸，吸附有磷酸根的磁性吸附顆粒從陰極室轉(zhuǎn)移至回收室上方，回收室上方遠(yuǎn)離磁場(chǎng)，吸附有磷酸根的磁性吸附顆粒脫離第一吸附傳送帶并落入回收室內(nèi)，與回收室內(nèi)解析液作用實(shí)現(xiàn)解析，實(shí)現(xiàn)磷從污泥中的脫離并且成功與吸附劑表面脫附;

　　(4)解析后的磁性吸附顆粒在第二條形磁鐵的作用下附著至第二吸附傳送帶表面，陰極電極與陽極電極之間的電流支持第一吸附傳送帶運(yùn)行;磁性吸附顆粒隨第二吸附傳送帶運(yùn)行至陰極室上方，陰極室上方遠(yuǎn)離磁場(chǎng)，磁性吸附顆粒從第二吸附傳送帶上脫落并下落至陰極室內(nèi)，實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。

　　上述步連續(xù)且循環(huán)進(jìn)行，持續(xù)降解污泥中的有機(jī)物，并在陰極室發(fā)生吸附反應(yīng)，于回收室對(duì)磷進(jìn)行回收。

　　優(yōu)選地，陰極室內(nèi)盛裝電解質(zhì)液，所述電解液為M9溶液。

　　優(yōu)選地，回收室內(nèi)的解析液為5%-10%的NaOH溶液。

　　優(yōu)選地，為了能夠最大程度地吸附磷，所述的吸附材料為磁性鐵氧體吸附劑CMC-CoFe2O4，該吸附劑可以通過吸附解析循環(huán)利用，不會(huì)產(chǎn)生二次污染，且具有磁性，便于后續(xù)分離回收，也可采用磁性Fe3O4/Beta沸石、納米結(jié)構(gòu)Fe3O4/Y2O3磁性顆粒，這些磁性顆粒均為現(xiàn)有方法制備得到或者通過市購?fù)緩将@得。

　　本發(fā)明處理原理如下：

　　經(jīng)破碎預(yù)處理后的污泥進(jìn)入陽極室，經(jīng)產(chǎn)電菌降解有機(jī)物產(chǎn)生電子，所獲電子通過外電路轉(zhuǎn)移至陰極，形成電流，所產(chǎn)電流用于帶動(dòng)傳送帶運(yùn)輸。與此同時(shí)，磷酸根離子通過陰離子交換膜到達(dá)陰極室被磁性吸附劑所吸附。條形磁鐵產(chǎn)生磁場(chǎng)，使磁性吸附劑在磁場(chǎng)的作用下定向移動(dòng)附著至特制傳送帶表面。通過傳送帶運(yùn)輸，從陰極室轉(zhuǎn)移至回收室，吸附劑與磷酸根復(fù)合物與解析液相互作用，置換出磷酸根，最終實(shí)現(xiàn)磷從污泥中的脫離并且成功與吸附劑表面脫附。經(jīng)解析后的吸附劑進(jìn)入回收循環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用(圖2所示為本發(fā)明的處理原理圖)。

　　與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

　　(1)以MFC反應(yīng)器降污產(chǎn)電支撐傳送帶運(yùn)輸，無需外加能源投入。

　　(2)傳送帶實(shí)現(xiàn)附著、脫附一體化。

　　(3)磁性吸附劑實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。