一种城市污水处理装置及污水处理方法与流程

本发明属于污水处理技术领域，具体的是涉及一种城市污水处理装置，及应用该装置进行污水处理的方法。

背景技术：

近年来，低碳环保、资源回收利用一直是社会可持续发展的热门话题，对城市生活污水的高效低能降解，以及对其中n、p、k及有机质等肥料元素的收集利用有着长远的发展前景。然而在实际的污水处理过程中，部分大分子、官能团等结构复杂的有机物难以得到有效地去除，同样会有较多的cu、zn等重金属离子残留其中。目前应用广泛的膜生物反应器(mbr)工艺、曝气生物滤池(baf)工艺及cass工艺等在深度处理难降解有机物方面有一部分效果，但仍存在工艺落后，基建投资大，运行成本高，能耗达不到环境保护标准，以及处理后的水质不理想等缺点。现在急需一种新型节能环保的污水处理工艺。

技术实现要素：

由于微生物燃料电池是近十年来得到广泛研究的一种绿色环保的新型能源，在消耗降解有机污染物的同时产生电能，而且没有二次污染物生成，是理想的产能装置。电化学法在污废水的处理中已得到可靠的论证和应用，该工艺处理效果稳定，污泥量少，重金属富集于阴极附近可回收利用，且电化学设备紧凑，节省空间，运行便捷。因此，本发明旨在提供一种利用微生物燃料电池的城市污水处理装置及相应的污水处理方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种城市污水处理装置，包括：用于对污水进行处理的电解池，以及用于对电解池提供电能的微生物燃料电池；其中：微生物燃料电池包括至少两个并列设置的密闭厌氧阳极室及一个阴极室，且相邻的密闭厌氧阳极室彼此互不连通，阴极室与至少两个密闭厌氧阳极室通过质子交换膜连通；密闭厌氧阳极室总体积与阴极室体积相等；每个密闭厌氧阳极室内均匀设置两组阳极电极；阴极室内设置有曝气装置及数个阴极电极；电解池包括至少两个且并列设置的反应室，且每个反应室内设置有呈螺旋状的阳极板、阴极板，且阳极板、阴极板彼此平行；微生物燃料电池与电解池通过稳压装置连通，且阳极电极连通阳极板、阴极电极连通阴极板。

更进一步的，两组阳极电极包括单号阳极电极和双号阳极电极，且各个密闭厌氧阳极室内的单号、双号阳极电极分别串联后再并联。

更进一步的，每组阳极电极包括至少一根钛刷电极，且通过顶板固定于密闭厌氧阳极室的密封盖上。

更进一步的，钛刷电极的刷毛表面设置有微孔或沟痕结构。

更进一步的，阴极电极数量与密闭厌氧阳极室数量比为2:1。

更进一步的，曝气装置包括偶数个曝气头，且每两个曝气头串联后再并联连接曝气机。

更进一步的，反应室底部内设漏斗形集泥槽。

更进一步的，阳极板、阴极板固定在反应室的顶盖上，反应室顶盖上设置有驱动装置，驱动装置与阳极板、阴极板连接。

更进一步的，每个密闭厌氧阳极室、阴极室、反应室底部分别设置有进出水管道，且在管道上设置有阀门和水泵；反应室底部还设置有排泥泵。

使用上述城市污水处理装置进行城市污水处理的方法，包括如下步骤：

(1)调试安装好城市污水处理装置：将阳极电极插入到微生物燃料电池的密闭厌氧阳极室内，用密封盖将密闭厌氧阳极室密封；将阳极板、阴极板插入电解池的反应室中，反应室顶盖需留出空隙，以便排出电解产生的气体；

(2)向微生物燃料电池注入生活污水，运行该微生物燃料电池；

(3)当稳压装置中的电信号稳定后，向电解池的反应室注入生活污水；

(4)电解池接通稳压装置中的电源后，进行污水处理过程，期间，当稳压装置中的电信号下降或消失时，更换微生物燃料电池中的生活污水；

(5)污水处理完成后，将经过处理的水排出，并将电解池的反应室中的污泥排出，再向电解池中注入未处理的生活污水再次进行污水处理过程。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明采用微生物燃料电池作为产能来源，即实现了有机污染物的降解处理，又为电解池中利用电化学氧化法进一步氧化分解大分子有机物提供电能，实现了污水处理，同时还能节约能耗。

2、本发明微生物燃料电池设置至少两个密闭厌氧阳极室，且相邻的密闭厌氧阳极室彼此互不连通，隔离培养微生物，有助于防止微生物因不明确的外界条件而引起的大面积衰亡现象发生。另外，本发明密闭厌氧阳极室中设置单、双号电极，且分别串联后再并联，可以保证在微生物燃料电池运行状态下，检测附着于阳极电极上的微生物生长情况，以及阳极电极消耗、导电性能等，能够更好的监测微生物燃料电池的状态。

3、本发明电解池反应室中设置有呈螺旋状的阳极板、阴极板，且彼此平行，此结构对电解效果有一定的增强作用，可有效利用阴、阳极板的正反两面增大有效的电子传递、接受面积，并且可以节省极板占用空间。另外，反应室顶盖上设置有驱动装置，可以使极板叶片对电解液进行搅动，用以冲刷吸附于阴极板表层的金属离子沉积物，同时可以促进极板同心圆内部溶液中电子和外部电子交换互通，防止因内部电子分布不均而引起的极化现象。再者，反应室底部内设漏斗形集泥槽，使得富集重金属的污泥沉淀能够通过集泥槽底部的排泥泵排出反应室进行金属回收，从而可以达到资源回收利用的目的。

4、本发明不仅避开了传统活性污泥法对污染物质去除效果不彻底的弊端，还可以解决目前污水处理工艺能耗高、投资大的问题；而且，由于本发明结构的一体化设计，还能节约占地空间、方便运行管理。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1：本发明城市污水处理装置的主视剖视结构示意图；

图2：本发明城市污水处理装置的俯视结构示意图；

图3：本发明中阳极电极与密封盖的主视结构示意图；

图4：本发明中阳极电极与密封盖的俯视结构示意图；

其中：1-微生物燃料电池，2-电解池，3-密闭厌氧阳极室，4-阴极室，6-阴极电极，8-反应室，9-阳极板，10-阴极板，11-稳压装置，12-钛刷电极，13-顶板，14-密封盖，15-集泥槽，16-顶盖，17-驱动装置，21-反应室进水管道，22-反应室出水管道，31-密闭厌氧阳极室进水管道，32-密闭厌氧阳极室出水管道，41-阴极室进水管道，42-阴极室出水管道，51-单号阳极电极，52-双号阳极电极，71-曝气头，72-曝气机。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明一种城市污水处理装置，包括微生物燃料电池1和电解池2。其中，微生物燃料电池1提供电能，所提供的电能用于电解池2对污水进行处理。优选的，微生物燃料电池1与电解池2的体积比为5:3，该体积比例下微生物燃料电池所产电能能够被电解池2充分利用，且不造成电能的浪费。

如图2所示，微生物燃料电池1包括至少两个并列设置的密闭厌氧阳极室3及一个阴极室4，且相邻的密闭厌氧阳极室3彼此互不连通，阴极室4与至少两个密闭厌氧阳极室3通过质子交换膜连通；密闭厌氧阳极室3总体积与阴极室4体积相等。优选的，如图2所示，本实施例中设置5个密闭厌氧阳极室3，有利于提高微生物燃料电池1的产电效率。相邻的密闭厌氧阳极室3彼此互不连通，隔离培养微生物，有助于防止微生物因不明确的外界条件而引起的大面积衰亡现象发生。

如图2所示，每个密闭厌氧阳极室3内均匀设置两组阳极电极。优选的，两组阳极电极包括单号阳极电极51和双号阳极电极52，且各个密闭厌氧阳极室3内的单号、双号阳极电极分别串联后再并联。单、双号电极分别串联后再并联，可以保证在微生物燃料电池运行状态下，检测附着于阳极电极上的微生物生长情况，以及阳极电极消耗、导电性能等，能够更好的监测微生物燃料电池的状态。

优选的，如图3、4所示，每组阳极电极包括至少一根钛刷电极12，钛刷电极12的数量选取，需根据阳极微生物电子转移量进行考虑；当设置有多根钛刷电极12时，钛刷电极12横向并排布置，刚好可以保证密闭厌氧阳极室3的横向空间得到充分利用。优选的，本实施例中每组阳极电极包括三根钛刷电极12。钛刷电极12通过顶板13固定于密闭厌氧阳极室的密封盖14上，方便钛刷电极12的插入或抽出。本实施例中使用钛刷电极，因为金属钛耐腐蚀性强，可长期稳定使用。

优选的，钛刷电极12的刷毛表面设置有微孔或沟痕结构，有利于微生物附着和电子传递。

如图2所示，阴极室4内设置有曝气装置及数个阴极电极6。其中，优选的，曝气装置包括偶数个曝气头71，且每两个曝气头71串联后再并联连接曝气机72。曝气头数量的选择，需要保证阴极室好养微生物正常生长，即曝气装置保证阴极室的do(溶解氧)在2～4mg/l。优选的，如图2所示，本实施例中设置4个曝气头71，4个曝气头71分成两组，每组曝气头71分别串联后，两组再并联连接曝气机。优选的，阴极电极6数量与密闭厌氧阳极室3数量比为2:1，即一个密闭厌氧阳极室对应两个阴极电极6，但由于阴极室为单一极室，在电子实际转移过程中存在不定向移动，故阴极电极6存在互通互用关系。由于本实施例中设置有5个密闭厌氧阳极室3，如图2所示，故本实施例中设置有10个阴极电极6。优选的，本实施例中的阴极电极6采用不锈钢柱型电极。

如图2所示，电解池2包括至少两个且并列设置的反应室8，可实现连续性的污水处理，提高污水处理效率。每个反应室8内设置有呈螺旋状的阳极板9、阴极板10，且阳极板9、阴极板10彼此平行。此结构对电解效果有一定的增强作用，可有效利用阴、阳极板的正反两面增大有效的电子传递、接受面积，并且可以节省极板占用空间。微生物燃料电池1与电解池2通过稳压装置11连通，且阳极电极连通阳极板9、阴极电极6连通阴极板10。

具体的，如图1所示，阳极板9、阴极板10固定在反应室8的顶盖16上，反应室8顶盖16上设置有驱动装置17，驱动装置17与阳极板9、阴极板10连接。驱动装置17单独连接直流电流。顶盖16上阴、阳极板均设有连接头，与稳压装置11连接。顶盖16上设置有驱动装置17，可以使极板叶片对电解液进行搅动，用以冲刷吸附于阴极板表层的金属离子沉积物，同时可以促进极板同心圆内部溶液中电子和外部电子交换互通，防止因内部电子分布不均而引起的极化现象。

优选的，如图1所示，反应室8底部内设漏斗形集泥槽15，富集重金属的污泥沉淀通过集泥槽底部的排泥泵排出反应室8进行金属回收。

更进一步的，如图1所示，阳极板9、阴极板10的底部不与集泥槽15接触。

优选的，为方便进出水以及污泥的排出，如图2所示，密闭厌氧阳极室3底部设置有进水管道31、出水管道32，且每个密闭厌氧阳极室3底部管道上均设有阀门，故多个密闭厌氧阳极室3亦可交替使用；如图1所示，阴极室4底部分别设置有进水管道41、出水管道42，反应室8底部分别设置有进水管道21、出水管道22。在每个进出水管道上分别设置有阀门和水泵，反应室8底部还设置有排泥泵。

本发明还提供了一种使用本实施例中的城市污水处理装置进行城市污水处理的方法，包括如下步骤：

(1)调试安装好城市污水处理装置：将阳极电极插入到微生物燃料电池1的密闭厌氧阳极室3内，用密封盖14将密闭厌氧阳极室3密封，优选的利用橡胶圈进行密封；将阳极板9、阴极板10插入电解池2的反应室8中，反应室8顶盖16需留出空隙，以便排出电解产生的气体；

(2)向微生物燃料电池1注入生活污水(必要时，可以进行接种污泥)，运行该微生物燃料电池1；

(3)当稳压装置11中的电信号稳定后，向电解池2的反应室8注入生活污水；

(4)电解池2接通稳压装置11中的电源后，进行污水处理过程，期间，当稳压装置11中的电信号下降或消失时，更换微生物燃料电池1中的生活污水；

(5)污水处理完成后，将经过处理的水排出，并将电解池2的反应室8中的污泥排出，再向电解池2中注入未处理的生活污水再次进行污水处理过程。

使用本实施例中的装置及方法进行污水处理，通过对经过处理后的水质进行检测，cod(化学需氧量)的去除率达到90.3％～95.6％，toc(总有机碳)的去除率达到88.6％～93.7％，氨氮去除效率达95％以上，符合国家污水排放一级a的标准。微生物燃料电池的电流效率为113％～152％，电解池污水处理效率为92.8％～95.7％，重金属回收率为60.3％～74.1％。可见本发明的城市污水处理装置及相应的污水处理方法处理污水更为彻底，污水处理效率较高，利用污水产能再利用，更加节能环保。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。