一种生物膜法多阴极室反硝化除磷产电装置的制作方法

本发明属于污水处理技术领域，特别是涉及一种生物膜法多阴极室反硝化除磷产电装置，在处理污水中的COD、氮、磷等污染物的同时产生电能的新工艺。

背景技术：

传统反硝化除磷工艺主要由厌氧、好氧、缺氧反应器组成，分为单污泥工艺和双污泥工艺。在单污泥工艺中，硝化细菌和反硝化聚磷菌存在于同一个反应器中，依次经历着厌氧、缺氧、好氧三种运行环境，但在双污泥工艺中，硝化细菌与反硝化细菌各自存在于单独的反应器中，它们可以在各自最佳运行环境中生长，并且能够更好地解决传统工艺中硝化菌和聚磷菌的竞争矛盾。但是，反硝化除磷工艺在处理生活污水的过程中，已驯化成熟的微生物在很多方面还没有发挥到应有的作用，例如微生物中含有大量的化学能等，造成了一定的资源浪费。微生物燃料电池是利用微生物的催化作用降解污水中的有机物，将化学能直接转化为电能的新型反应器，但对降低污水中的氮、磷等污染物无明显去除效果。反硝化除磷工艺的厌氧池具备微生物燃料电池阳极室所需条件，好氧池、缺氧池和终沉池具有阴极室所需条件，可以在该工艺中引入微生物燃料电池的原理，使其在原有功能的基础上产生电能。采用反硝化除磷产电技术处理污水，既可以充分利用反硝化除磷技术节能减排的优势，又可以将污水中有机物的化学能转化为电能，一举多得，不但具有良好的社会效益和环境效益，还会取得可观的经济效益，是一种产能型污水处理技术。

污水厂传统活性污泥法存在污泥沉降困难和易流失等问题。污水的生物膜处理法是与活性污泥法并列的一种污水好氧生物处理技术，是一种高效的废水处理方法。生物膜是指所有通过一定媒介附着、固定的生物活性体和物质。在生物膜附着和固定过程中都需要某种媒介来承担和完成固定，这种介质称为生物膜载体，也称为载体填料。填料是生物膜赖以栖息的场所，是生物膜的载体，同时也有截留悬浮物的作用。生物膜法具有污泥量少、不会产生污泥膨胀、对废水的水质水量的变动具有较好的适应能力、运行管理简单等优点。

近年来出现了大量的与MFC耦合的工艺，如A²O、A/O、A²N等，这些工艺直接将好氧池作为MFC的阴极室，仅仅利用O₂为阴极的电子受体，工艺中存在的大量硝酸盐和亚硝酸盐则几乎没被用作MFC的电子受体。存在电子受体没有充分利用的情况。

技术实现要素：

针对上述存在的技术问题，为了克服在处理污水的过程中，造成了大量的有机能源的浪费，无可再生绿色能源产生的不足，完善已经存在的MFC耦合产电工艺，本发明提供一种生物膜法多阴极室反硝化除磷产电装置，该装置不仅能够降低污水中COD、TN和TP的浓度而净化污水，而且能够更广泛地利用电子受体产生电能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明一种生物膜法多阴极室反硝化除磷产电装置，包括依次连接的厌氧池、初沉池、好氧池、缺氧池和终沉池，其中厌氧池作为微生物燃料电池的阳极室，好氧池、缺氧池和终沉池作为微生物燃料电池的阴极室，阳极室和阴极室分别外接电阻，厌氧池与好氧池、缺氧池和终沉池之间均由质子交换膜隔开，初沉池和缺氧池间通过超越污泥管路连接，终沉池和厌氧池间通过回流污泥管路连接，终沉池上还设有出水管路及排泥口，在处理污水的同时，产生电能。

进一步地，所述好氧池、缺氧池和终沉池环绕在厌氧池周边设置。

进一步地，所述厌氧池与好氧池、缺氧池、终沉池相邻的三个池壁均安装有质子交换膜。

进一步地，所述厌氧池侧壁上对应质子交换膜位置设置挡板，自由开关质子交换膜。

进一步地，所述阳极室内设置三个阳极，分别对应三个阴极室的阴极，其中好氧池阴极室以氧气为电子受体，缺氧池阴极室和终沉池阴极室以硝酸盐为电子受体。

进一步地，所述好氧池为生物膜反应器，池内填充填料，池底设置有曝气砂头，曝气砂头外连空气压缩机。

进一步地，所述进水管路、污泥超越和污泥回流管路上均连接有泵。

进一步地，所述厌氧池、初沉池、好氧池、缺氧池和终沉池的底部均为漏斗状，底部出口均设有阀门。

本发明的优点是：

1.本发明利用反硝化除磷工艺处理生活污水，可以有效降低污水中的COD、TP和TN的浓度，更广泛地利用电子受体产生了稳定的电压值，既有效的处理了污水中的污染物，又产生了电能。组合系统稳定高效脱氮除磷。减少设备容量，降低运行成本，减少占地。

2.本发明建立多阴极室反硝化除磷产电系统，加强除污和产电能力。

3.本发明强化阳极室缺氧阴极室内微生物的除磷和产电效果，获得兼具产电和反硝化除磷功能的反硝化除磷产电菌。

附图说明

图1是本发明的平面图。

图2是图1的A-A剖视图。

图3是图1的B-B剖视图。

图中:1.进水管路，2.厌氧池，3.初沉池，4.好氧池，5.缺氧池，6.终沉池，7.泵，8.电阻，9.电压表，10.质子交换膜，11.碳毡，12.回流污泥管路，13.超越污泥管路，14.出水管路，15.挡板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

实施例：如图1所示，本发明包括依次连接的厌氧池2、初沉池3、好氧池4、缺氧池5和终沉池6，其中厌氧池2作为微生物燃料电池的阳极室，好氧池4、缺氧池5、终沉池6作为微生物燃料电池的阴极室在厌氧池2周边设置，阳极室和阴极室分别外接电阻8，厌氧池2与好氧池4、缺氧池5、终沉池6之间均由质子交换膜10隔开，初沉池3和缺氧池5间通过超越污泥管路13连接，终沉池6和厌氧池2间通过回流污泥管路12连接，终沉池6上还设有出水管路14及排泥口，在处理污水的同时，产生电能，实现反硝化除磷与微生物燃料电池两种工艺的耦合。

所述进水管路1、超越污泥管路13和回流污泥管路12上均连接有泵7。好氧池4内装有填料(悬浮型、固定式等各类型填料均可)，为生物膜提供赖以栖息的场所，好氧池4内亦设曝气装置。所述好氧池4、缺氧池5和终沉池6环绕在厌氧池周边设置，所述厌氧池2与好氧池4、缺氧池5、终沉池6相邻的三个池壁均安装有质子交换膜10。所述厌氧池2、初沉池3、好氧池4、缺氧池5和终沉池6的底部均为漏斗状，底部出口均设有阀门。

本发明在处理污水的过程中，厌氧池2作为系统的阳极室，有机物在阳极室内既作为产生电能的电子供体，又作为反硝化除磷的电子供体。本发明建立多阴极室反硝化除磷产电系统，加强除污和产电能力。其中好氧池4、缺氧池5和终沉池6分别作为阴极室。反硝化除磷产电系统的电子受体分别在好氧池4、缺氧池5和终沉池6的阴极室发挥作用。好氧池4阴极室内，微生物以氧气为电子受体，接受阳极室传递过来的电子和质子，将氧气还原为水，并在外电路产生电流，此处的氧气同时将氨氮氧化成亚硝酸氮或者硝态氮。

阳极室出水实际上是泥水混合物，在初沉池中泥水分离，污泥中富含反硝化除磷产电菌，水中富含磷酸盐，好氧池阴极室出水富含硝酸盐或亚硝酸盐。初沉池富含反硝化除磷产电菌的污泥超越进入缺氧池，利用硝态氮或亚硝酸氮作为电子受体进行过量吸磷，并接受阴极表面的电子，从而达到同步脱氮除磷产电的效果。缺氧池出水经过终沉池进行泥水分离，位于终沉池的阴极电极表面的反硝化除磷产电菌可反应掉残留的硝态氮或者亚硝态氮，沉淀下来的污泥一部分排走，一部分回流至阳极室，沉淀后的处理水排出系统。在多阴极室反硝化除磷产电系统中，采用多个阴极，能够更多的收集能源以及促进系统的反硝化除磷可见该系统比单一阴极室的反硝化除磷产电工艺有更强的除污和产电能力。

本发明强化阳极室缺氧阴极室内微生物的除磷和产电效果，获得兼具产电和反硝化除磷功能的反硝化除磷产电菌。在阳极室和缺氧阴极室里获得兼具在厌氧条件下向胞外释放电子过量释磷和在缺氧条件下以硝酸盐为电子受体接受缺氧阴极的电子进行反硝化和反硝化除磷功能的微生物，可以命名为反硝化除磷产电菌。这种细菌的出现可完美整合产电与除磷。厌氧池2与好氧池4、缺氧池5、终沉池6相邻的三个池壁均安装质子交换膜10。所述厌氧池侧壁上对应质子交换膜10位置设置挡板15，可由挡板15自由开关。阳极室内的三个阳极对应三个不同阴极室的阴极。好氧池4阴极室主要以氧气为电子受体，缺氧池5阴极室和终沉池6阴极室主要以硝酸盐为电子受体。本系统存在的三组电极，产生三个不同的电压，可以增加系统的产电能力。可以通过调节挡板15的开关情况进行三组电极单独或联合操作。

生活污水输送至厌氧池2，在厌氧条件下，反硝化聚磷产电菌氧化分解有机碳源，产生电子和质子，电子经外电路传递到阴极，形成电流，质子通过质子交换膜10进入到阴极室，同时释放磷，污水流经初沉池3，进入到好氧池4，在硝化菌的作用下，将污水中的氨氮转化为硝态氮，溶解氧作为好氧池4阴极的电子受体接受电子。然后流入到缺氧池5，反硝化聚磷产电菌在缺氧池5利用硝酸盐和亚硝酸盐作为电子受体进行过量吸磷，氮以气态化合物形式排出系统外，从而实现同步脱氮除磷产电。最后终沉池6的污水混合液中残留的硝酸盐和亚硝酸盐继续在反硝化除磷产电菌的作用下作为电子受体接受从终沉池6阴极传来的电子，处理水完成泥水分离后经由出水管路14排除。

图2为本发明的A-A剖视图，厌氧池2作为阳极室，两侧分别与作为阴极室的缺氧池5、好氧池4和终沉池6相连，阴、阳极室由质子交换膜10隔开，阴、阳极所用材料为碳毡11，由铜导线连接，外接电阻8，电阻8两端接电压表9进行电压值的测定。

图3为本发明的B-B剖视图，厌氧池2作为阳极室，与作为阴极室的缺氧池5相连，阴、阳极室由质子交换膜10隔开，阴、阳极所用材料为碳毡11，由铜导线连接，外接电阻8，电阻8两端接电压表9进行电压值的测定。