一种一体式磷回收燃料电池装置及废水处理方法

本发明属于废水处理技术领域，具体涉及一种一体式磷回收燃料电池装置及废水处理方法。

背景技术：

水体富营养化的主要污染指标为化学需氧量、总磷和高锰酸盐指数。有研究表明，总磷(tp)是淡水系统中引起水体富营养化的限制性因子，因此，控制污废水中磷含量显得尤为重要。

相对于水环境中磷含量过高而引起的富营养化，陆地上的磷矿资源却日益匮乏。能源的短缺与现有水环境问题引发人们将关注点从单一的“磷去除”转向“磷回收”，实现磷资源循环利用。在废水中，磷通常以正磷酸盐、聚磷酸盐以及有机磷形式存在，根据废水来源不同，总磷组成形态多元，如何有效去除废水中的磷，并实现磷的资源化回收势必成为研究热点。

结晶法回收磷是目前研究较为广泛的磷回收技术，目前，利用金属-空气电池通过控制反应条件使得废水中的磷以蓝铁矿的晶体形态沉淀并加以回收利用成为研究的一大热点方向。然而对于高浓度含磷行业废水，由于质子膜在使用过程中容易受到污染增加内阻，且磷酸盐容易因渗透压作用直接穿透质子膜，导致含磷废水难以得到真正的有效去除，传统的双室燃料电池已无法满足需求。开发新型燃料电池装置，是发展结晶法磷回收技术的关键。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在问题，本发明的目的在于提供一种一体式磷回收燃料电池装置及废水处理方法，本发明的一体式磷回收燃料电池装置采用单室结构，可有效避免质子膜带来的膜污染难题。

本发明采用的技术方案如下：

一种一体式磷回收燃料电池装置，包括外壳、阳极电极、封盖和产物收集斗，外壳的上下两端分别设有出水口和进水口，封盖与外壳的上端连接，产物收集斗与外壳的下端连接，阳极电极采用零价铁电极并设置于外壳内；

所述外壳作为阴极电极，所述阴极采用空气阴极。

优选的，所述阴极电极为长方形空气阴极卷成圆柱状后密封连接而成的圆柱形电极。

优选的，所述阴极电极的外部沿上下方向间隔套箍有若干环形隔板。

优选的，阳极电极的形状为圆柱状，所述阴极电极的内径与阳极电极的外径比例为1：(0.72-0.78)。

优选的，阳极电极的结构为圆筒状结构，阳极电极下端的水平高度低于进水口；铁阳极上端的水平高度不高于出水口的水平高度。

优选的，阴极电极的面积与阴极电极内反应区容积的配比为1：(3.6-4.2)，阳极电极的面积与阴极电极内反应区容积的配比为1：(5.3-6)。

优选的，产物收集斗的底部设有产物排出口。

优选的，阳极电极的上端悬挂连接于封盖，阳极电极位于阴极电极的中心。

优选的，阴极电极和/或封盖上设有用于穿过阳极和/或阴极导线的导线出口。

一种废水处理方法，该废水处理方法采用本发明如上所述一体式磷回收燃料电池装置进行，包括如下过程：

将所述一体式磷回收燃料电池装置的阴极电极和阳极电极接入用电回路；

将含磷废水从进水口输入阴极电极，含磷废水在阴极电极内与阳极电极接触反应并从出水口流出；

含磷废水与阳极电极接触反应过程中，生成的蓝铁矿落入产物收集斗。

本发明具有如下有益效果：

本发明的一体式磷回收燃料电池装置采用单室结构，即只有外壳内部的这一个反应区，且无需使用质子膜，因此本发明一体式磷回收燃料电池装置有效避免质子膜带来的膜污染难题。同时，阳极电极采用的是廉价易得的零价铁，有效降低废水处理成本；将空气阴极设置为一体式磷回收燃料电池装置外壳，能够增大与空气接触面积，促进反应进行；在阴极电极内部反应区内，铁质的阳极电极能够被氧化为可溶性二价铁离子，二价铁离子能够与磷酸盐废水发生反应，达到磷去除的目的，同时还可生成蓝铁矿，实现磷资源化回收；外壳的上下两端分别设有出水口和进水口，因此在磷去除过程中，进水方式可以为“连续式”，不仅能够提高磷的去除速率，还可获得稳定的输出电流。

进一步的，阴极电极的内径与阳极电极的外径比例为1：(0.72-0.78)，在该尺寸配合下，正负两极之间的距离适宜，能够保证电池内阻，提高传质效率，达到高效除磷及稳定产电的双重目的。

进一步的，阳极电极的结构为圆筒状结构，这样能够使得含磷废水与阳极电极内外壁均接触，提高传质效率；阳极电极下端的水平高度低于进水口，能够保证阳极电极与废水接触更多，铁阳极上端的水平高度不高于出水口的水平高度，保证了阳极电极内部的废水能够正常流通，保证反应废水处理效率。

进一步的，产物收集斗的底部设有产物排出口，能够随时将反应产物排出，保证连续处理。

附图说明

图1是本发明一体式磷回收燃料电池装置的主体图；

图2是本发明一体式磷回收燃料电池装置的左视图；

图3是本发明一体式磷回收燃料电池装置的正视图；

图4是本发明一体式磷回收燃料电池装置的俯视图。

图中：a、反应区；b、产物收集区；c、外部连接系统；1-进水口、2-1-有机玻璃夹板、2-2-环形有机玻璃夹板、3-环形隔板、4-铆钉、5-出水口、6-封盖、7-阴极电极、8-阳极电极、9-阴极导线出口、10-阳极导线出口、11-阴极导线铁阳极、12-阳极导线、13-负载电阻、14-电信号采集仪空气阴极、15-产物收集斗、16-产物排出口。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明做进一步说明。若没有特殊说明或冲突，各优选实施方式可以任意组合。

参照图1-图4，本发明一体式磷回收燃料电池装置，包括外壳、阳极电极8、封盖6和产物收集斗15，外壳的上下两端分别设有出水口5和进水口1，封盖6与外壳的上端连接，产物收集斗15与外壳的下端连接，阳极电极8采用零价铁电极并设置于外壳内；所述外壳作为阴极电极7，所述阴极采用空气阴极。

作为本发明优选的实施方案，所述阴极电极7为长方形空气阴极卷成圆柱状后密封连接而成的圆柱形电极。

作为本发明优选的实施方案，所述阴极电极7的外部沿上下方向间隔套箍有若干环形隔板3。

作为本发明优选的实施方案，阳极电极8的形状为圆柱状，所述阴极电极7的内径与阳极电极8的外径比例为1：(0.72-0.78)。

作为本发明优选的实施方案，阳极电极8的结构为圆筒状结构，阳极电极8下端的水平高度低于进水口1；铁阳极8上端的水平高度不高于出水口5的水平高度。

作为本发明优选的实施方案，阴极电极7的面积与阴极电极7内反应区容积的配比为1：3.6-4.2，阳极电极8的面积与阴极电极7内反应区容积的配比为1：(5.3-6)。

作为本发明优选的实施方案，产物收集斗15的底部设有产物排出口16。

作为本发明优选的实施方案，阳极电极8的上端悬挂连接于封盖6，阳极电极8位于阴极电极7的中心。

作为本发明优选的实施方案，阴极电极7和/或封盖6上设有用于穿过阳极和/或阴极导线的导线出口。

一种废水处理方法，该废水处理方法采用本发明如上所述一体式磷回收燃料电池装置进行，包括如下过程：

将所述一体式磷回收燃料电池装置的阴极电极7和阳极电极8接入用电回路；

将含磷废水从进水口1输入阴极电极7，含磷废水在阴极电极7内与阳极电极8接触反应并从出水口5流出；

含磷废水与阳极电极8接触反应过程中，生成的蓝铁矿落入产物收集斗15。

实施例

如图1-图4所示，本实施例一体式磷回收燃料电池装置分为反应区a和产物收集区b，在使用时连接外部连接系统c；反应区a设有进水口1、有机玻璃夹板2-1、环形隔板3、铆钉4、出水口5、封盖6、阴极电极7、阳极电极8、阴极导线出口9和阳极导线出口10；产物收集区b包括环形有机玻璃夹板2-2、铆钉4、产物收集斗15、产物排出口16；外部连接系统c包括阴极导线11、阳极导线12、负载电阻13、电信号采集仪14。

反应区a由外到内依次包括阴极电极7和阳极电极8；参照图1和图2，阴极电极7采用空气阴极，阴极电极7是由长方形空气阴极卷成圆柱状，并通过有机玻璃夹板2-1连接成圆柱筒状。阳极电极7的外部沿上下方向间隔套箍有若干环形隔板3，环形隔板3的两端与机玻璃夹板2-1的两侧连接，以保证将长方形空气阴极卷成圆柱状的阳极电极7时，阳极电极7整体结构的稳定性。为了使阴极电极7和封盖6以及产物收集斗15连接，在阴极电极7的上端还连接有环形隔板以及在阴极电极7下端设置环形有机玻璃夹板2-2，阴极电极7上端的环形隔板能够与封盖6之间密封连接，阴极电极7下端的环形有机玻璃夹板2-2与产物收集斗15之间通过铆钉连接，且密封。进水口1设置在有机玻璃夹板2-1下端，环形隔板3与环形有机玻璃夹板2-2相连，最上端的环形隔板3上设有出水口5；有机玻璃夹板2-1通过铆钉4与空气电极的端部固定连接；阴极电极7属于反应区a的外层结构，阴极电极7作为装置外壳，阳极电极8内置于反应区a中；阴极电极7上部设有阴极导线出口5；阳极电极8采用零价铁，呈圆柱形筒状，阳极电极8与封盖6上部的内侧连接，阳极电极8悬挂于反应区中，封盖6上部设有阳极导线出口9；进水口1、出水口5所处夹板及产物收集斗15上部环形夹板均由两块有机玻璃组成，夹板设有铆钉4，用于固定阴极电极空气电极；封盖6、有机玻璃夹板2-1、环形有机玻璃夹板2-2处均设有密封垫片，以保证装置气密性。

产物收集区b从上到下依次包括环形有机玻璃夹板2-2、产物收集斗15；产物收集斗15呈漏斗状，环形有机玻璃夹板2-2位于产物收集斗15的上端，采用铆钉4将产物收集斗15固定；产物收集斗15底部设有产物排出口16。

外部的负载电阻13通过阴极导线11和阳极导线12与阴极电极7、阳极电极8连接，电阻13两端并联接入电信号采集系统14。

上述各部件的尺寸及比例可视实际情况进行设定。在本实施方案中，所述的阴极电极7围成圆柱状的反应区，圆柱体的内径与内置阳极电极8的内径之比为1：(0.72-0.78)。所述的阳极电极8下端水平高度低于进水口1，与产物收集斗15上端水平高度一致；阳极电极8上端水平高度与出水口5下侧水平高度一致，保证阳极电极8与废水充分接触，加大亚铁离子释放量。所述的进水口1到产物收集斗15上端的距离为反应室总高的1/5，出水口5直径为顶部环形隔板高度的1/2。中间三个环形隔板的高度为反应室总高的1/20，顶端的环形隔板高度为反应室总高的1/10，各环形隔板之间的间隔为反应室总高的1/5，阴极电极7可与空气直接接触的高度为反应室总高的3/4。所述的环形有机玻璃夹板2-2面积为产物收集斗15总面积的1/4。所述的产物收集斗15的倾角为50°，产物收集口16与产物收集斗15上端截面的内径比为1：4。所述的阴极电极7面积与反应区容积的配比为1cm²：(3.6-4.2)cm³，阳极电极8面积与反应区容积的配比为1cm²：(5.3-6)cm³。经过试验，上述尺寸及比例能够较好地完成本发明的试验目的。

参照图1-图4，通过本发明的上述微生物燃料电池进行废水处理方法，其过程如下：

将含磷废水从进水口1以稳定流速进入反应器，废水与空气阴极7、铁阳极8充分接触后，从出水口5流出。

废水流动过程中，阳极电极8失去电子，发生氧化反应；阴极电极7中氧气得到电子发生还原反应，装置外部的负载电阻13通过阴极导线11、阳极导线12与阴级7、阳极8连接，内外形成闭合回路。

阳极电极8失去电子，释放可溶性二价铁离子，二价铁离子可以与废水中的磷酸盐发生反应生成蓝铁矿，在除磷的同时进一步回收蓝铁矿；除磷产物可从产物排出口16排出。

从上述可以看出，本发明能够在去除废水中磷的同时，实现磷资源化回收。由上述本发明一体式磷回收燃料电池装置的有益成果可知，本发明采用“连续流”方式，以蓝铁矿为产物导向，处理含磷废水，在处理废水过程中还可实现电能的资源化回收，因此本发明的废水处理方法具有经济、环保和资源再利用等多重优势，具有产业化发展的可能。