本发明涉及一种自驱动的尿液净化同步氮磷回收装置，可以同步实现尿液净化、产电、氮磷回收，属于水处理技术领域。
背景技术
尿液贡献了城镇生活污水中约80％的氮和50％的磷，其本身体积却仅占到污水总体积的1％不到。资源危机是如今和未来全人类发展面临的最大挑战之一，氮、磷作为重要的矿产资源，关系到农业、工业生产方方面面，资源危机已迫在眉睫。若能实现尿液中氮磷的回收利用，既解决了水体富营养化等污染问题以应对水资源危机，也有效缓解了氮磷资源危机问题。传统污水或尿液处理工艺，需要曝气、吹脱或添加化学物质等，面临能耗高的问题，且无法实现能源和资源的回收利用。
生物电化学系统可以在净化污水的同时将污水中的化学能转化为电能或有价产品。典型的生物电化学系统如微生物燃料电池，主要由三部分组成：阳极、阴极与中间分隔材料。阳极溶液中的有机物可以被产电微生物氧化分解，同时产生电子和氢离子，电子可以经过外电路传至阴极，氢离子则通过中间分隔材料(如阳离子交换膜)到达阴极，电子和氢离子在阴极可以一起与电子受体(如o2、fe3+、no3-等)发生还原反应，完成闭合回路产生电流。尿液中有机物(以下简称cod)浓度在8000～10000mg/l，蕴含着丰富的化学能，且具有较高的无机盐浓度与一定的缓冲能力，适用于成为生物电化学系统的基质或者处理对象。一方面可以利用微生物燃料电池处理尿液产电，另一方面，尿液中的氮磷离子可以在生物电化学的电场驱动下定向迁移，实现去除和回收。
但是，现有生物电化学系统处理尿液时，无法同时实现尿液净化和氮磷回收，回收氮磷仍需外加能源，普遍存在产能效率低、氮磷回收效果差等问题。
技术实现要素：
本发明的目的是提出一种自驱动的尿液净化同步氮磷回收装置，以便在净化尿液的同时将尿液中的化学能转化为电能，并驱动进行氮磷回收，同步实现尿液净化、产电和氮磷回收。
本发明提出的自驱动的尿液净化同步氮磷回收装置，包括阳极、阴极、多个阳离子交换膜和多个阴离子交换膜，所述的阳极置于本装置一侧的外壳内，所述的阴极置于装置的另一侧，阳极和阴极之间通过外部导线和外部电阻相互连接；多个阳离子交换膜和多个阴离子交换膜相互间隔排列在阳极和阴极之间；所述的阳极的两侧壁设有阳极集电材料，两侧阳极集电材料中间的空腔内设有填料，填料上生长有产电微生物，阳极的底部开有尿液进口，阳极的顶部开有循环液出口；相互间隔排列的多个阳离子交换膜和多个阴离子交换膜之间由阳极到阴极依次形成多个浓室和多个淡室，浓室和淡室相互间隔，每个浓室的底部开有水进口，每个浓室的顶部开有氮磷液出口，所有浓室顶部的氮磷液出口相互连通，成为本装置的氮磷液总出口，每个淡室底部开有循环液进口，每个淡室顶部开有净化后尿液出水口，所有淡室顶部的净化后尿液出水口相互连通，成为本装置的总净化后尿液出水口；所述的阴极与相邻的最后一个阴离子交换膜之间形成阴极腔室，阳极顶部的循环液出口与阴极腔室的进口相连通，阴极腔室的出口与每个淡室底部的循环液进口相连通。
本发明提出的自驱动的尿液净化同步氮磷回收装置，其优点如下：
本发明的自驱动的尿液净化同步氮磷回收装置用于尿液处理，运行时尿液的有机污染物被所述阳极降解并可以产生电能，尿液的尿素分子被加速水解为氨氮离子，尿液的氮磷物质受电场力作用从淡室迁移到浓室中；浓室中的氮磷液得到高浓度的氮磷元素。本发明可以在不需要外加碳源、曝气等能量输入的条件下，同步实现尿液净化和氮磷回收，操作简便，低能耗、高效率、高产率，无二次污染，适合工业大规模应用，为从源头解决水体富营养化问题提供了新思路，减轻了传统水处理工艺的处理负荷、能源消耗和二氧化碳排放，实现资源回收、一定程度缓解了资源危机。
附图说明
图1是本发明提出的自驱动的尿液净化同步氮磷回收装置的结构示意图。
图2是利用本发明装置对尿液净化同步氮磷回收运行效果图。
图1中，1是阳极，2是阴极，3是淡室，4是浓室，5是外壳，6是阳离子交换膜，7是阴离子交换膜，8是填料，其上生长有产电微生物，9是尿液进口，10净化后尿液出水，11是水进口，12是氮磷液出口，13是阳极集电材料，14是外部电阻及导线。
具体实施方式
本发明提出的自驱动的尿液净化同步氮磷回收装置，其结构如图1所示，包括阳极1、阴极2、多个阳离子交换膜6和多个阴离子交换膜7。阳极1置于本装置一侧的外壳内，阴极2置于装置的另一侧，阳极1和阴极2之间通过外部导线和外部电阻14相互连接。多个阳离子交换膜6和多个阴离子交换膜7相互间隔排列在阳极1和阴极2之间。阳极1的两侧壁设有阳极集电材料13，两侧阳极集电材料13中间的空腔内设有填料8，填料8上生长有产电微生物，阳极1的底部开有尿液进口9，阳极1的顶部开有循环液出口。相互间隔排列的多个阳离子交换膜6和多个阴离子交换膜7之间由阳极1到阴极2依次形成多个浓室4和多个淡室3，浓室4和淡室3相互间隔，每个浓室4的底部开有水进口11，每个浓室的顶部开有氮磷液出口12，所有浓室顶部的氮磷液出口12相互连通，成为本装置的氮磷液总出口。每个淡室3的底部开有循环液进口，每个淡室顶部开有净化后尿液出水口10，所有淡室顶部的净化后尿液出水口10相互连通，成为本装置的总净化后尿液出水口。阴极2与相邻的最后一个阴离子交换膜之间形成阴极腔室，阳极1顶部的循环液出口与阴极腔室的进口相连通，阴极腔室的出口与每个淡室3底部的循环液进口相连通。
上述自驱动的尿液净化同步氮磷回收装置中，阳极1内空腔内的填料8上附着有产电微生物，产电微生物通过氧化分解尿液中的有机物，实现去除尿液中的有机污染物，产生电子传递到阳极集电材料上。其中的阴极2内设有空气阴极，阴极通过管道和阳极连接，阴极和阳极通过外部导线连接，电子通过外电路从阳极传递到阴极，在空气阴极表面发生电子和电子受体(氧气)的还原反应，从而实现产电。其中的淡室3和浓室4，通过交替设置的阴阳离子交换膜分隔而成，淡室并行连接后，通过管道和阴极连接，浓室并行连接，单独循环，淡室溶液中的离子可以在阴阳极产生的电场的作用下，定向迁移，实现去除尿液中的氮磷污染物，将氮磷元素富集在浓室中。
以下结合附图，详细介绍本发明自驱动的尿液净化同步氮磷回收装置的工作原理：
尿液从尿液进口9依次流经阳极1、浓室4、淡室3和阴极2，尿液的有机污染物被所述阳极1的产电微生物降解，尿液中的尿素分子被加速水解为氨氮离子，尿液的氮磷物质在淡室3中受电场力作用，从淡室3通过阳离子交换膜6迁移到浓室中4，水在浓室4中流动，得到富含高浓度的氮磷元素的氮磷液。
本发明的自驱动的尿液净化同步氮磷回收装置的一个实施例中，各个腔室的外壳材料5可以为有机玻璃材质，阳极、阴极、浓室和淡室的有效横截面均为70×150mm长方形，面积为105cm2。本发明的实施例中，使用的阳极1厚30mm，有效空床容积315ml。填充了柱状颗粒活性炭8(长度2-5mm，直径1mm)，其上生长有产电微生物；在阳极腔室两侧(与离子交换膜接触的一侧、与阳极盲板接触的另一侧)安装有钛网作为集电材料13，钛网面积与阳极面积相同(105cm2)。需要保证活性炭、钛网、导线紧密接触。在阳极室外壳钻有若干通孔，引出管路与外部循环系统连接。阴极2厚10mm，有效空床容积为105ml，其中靠近空气一侧为空气阴极。在阴极外壳钻有通孔，引出管路与外部循环系统连接。每个淡室3与浓室4厚度相同，均为5mm，有效空床容积为52.5ml。从阳极到阴极依次由交替的阳离子交换膜6(交换容量为2.0mol/kg，上化水处理公司，中国上海)和阴离子交换膜7(交换容量为1.8mol/kg，上化水处理公司，中国上海)共六张离子交换膜隔开各个腔室，上述阴阳离子交换膜均可为厚度为0.2-0.5mm的电渗析离子交换膜，其爆破强度不小于0.3mpa，透过率不小于90％。为了降低装置内阻，在浓室和淡室中填充了混合后的阳离子交换树脂(cer，na型，交换容量4.2mmol/g，国药集团，中国)和阴离子交换树脂(aer，cl型，交换容量3.0mmol/g，国药集团，中国)，根据两种树脂的交换容量，为了保证混合后的离子树脂对阴阳离子具有相同的交换容量，经过计算，在阴离子交换树脂:阳离子交换树脂质量比＝1.4:1的比例下将二者混合，混合离子树脂填充满每一个浓室与淡室。并制作了引水通道与外部循环系统连接。上述各个腔室、离子交换膜、空气阴极等材料，彼此之间均用厚为0.5mm的硅胶垫相隔，使用螺杆螺母压紧，保证密闭。阳极集电材料13和阴极2之间由导线及外部电阻14连接。
上述的自驱动的尿液净化同步氮磷回收装置用于尿液处理，运行时尿液由尿液进口9依次流经所述阳极1、阴极2、淡室3，尿液的有机污染物被所述阳极的产电微生物降解并产生电子，尿液的尿素分子被加速水解为氨氮离子，尿液的氮磷物质在所述淡室受电场力作用，从所述淡室迁移到所述浓室4中；去离子水由水进口11进入，在所述浓室中流动，得到高浓度的氮磷元素后从12成为氮磷液。整个装置运行过程中同步实现尿液净化和氮磷回收。
本发明装置的一个实施例中，采用模拟尿液(cod：780mg/l,tn：840mg/l,tp：55mg/l)在阳极、阴极和淡室间循环，采用初始为去离子水的溶液在浓室间循环。取其中108小时运行阶段，其中第一个周期时长为36h，后面三个周期时长为24h，每个周期开始时都更新外部循环系统储存瓶中的尿液与氮磷液，定时测定试验过程中电流大小以及尿液和氮磷液中cod、tn、tp浓度，相关试验结果如图2。图2为尿液净化同步氮磷回收装置运行效果。其中，(a)说明运行过程中产生的电流大小；(b)说明运行过程中尿液cod、tn、tp去除率；(c)说明运行过程中氮磷液tn、tp富集效果。可知该装置运行过程中，产电稳定且电流水平较高(7.5～20ma)；平均每个周期尿液总氮去除率为65％，总磷去除率为82％，cod去除率为92％，尿液净化效果明显；最终氮磷液回收总氮浓度值～1200mg/l，回收总磷浓度值～100mg/l，氮磷回收富集效果明显。