一种生物电化学同步脱氮除磷装置及其方法与流程

本发明属于一种污水处理技术领域，具体涉及一种生物电化学同步脱氮除磷装置及其方法。

背景技术：

随着我国环保产业的蓬勃发展以及治理技术的日益成熟，水体化学需氧量的排放得到了有效的控制。然而总碳、总磷的削减却成了污水治理中新的一项难题，氮磷超标排放最为严重的后果即为水体富营养化，富营养化会导致水体溶解氧下降，水体发黑发臭。因此，越来越多旨在处理氮、磷的技术得到了发展，但是这类技术往往存在着处理单元多而复杂，需要外加有机碳源强化脱氮，需添加pafc、pac等絮凝剂进行除磷的缺陷。

公开号为cn201210113435的专利公开了一种设置石英砂填料的缺氧生物滤池，其内不设充氧设施，向进水中投加碳源控制进水c/n比为5～6，使反应器具有良好反硝化深度脱氮能力；同时，通过在缺氧生物滤池反冲洗前，增加厌氧释磷段，使缺氧生物滤池在厌氧/缺氧交替的环境中运行，为反硝化聚磷菌创造良好的生长环境，有效富集了反硝化聚磷菌，使缺氧生物滤池在反硝化脱氮的同时，具有同步除磷的能力。但是该发明需提供外加碳源进行脱氮，一方面增加了处理成本，另一方面可能造成二次污染。

公开号为cn201510219316的专利公开了一种脱氮除磷污水净化系统，该系统采用石灰石净化除磷区、斜发沸石脱氮区、改性陶料净化区和火山岩净化区四部分作为填料床，依次对污水进行净化，同时完成脱氮、除磷、去除有机污染物和泥水分离，完成一体化净化污水，结构简单，操作方便净化效果好。但是该发明采用的是物理吸附法，因此填料的再生过程以及废弃都有可能造成氮磷的重新释放。

公开号为cn201210113435的专利公开了一种脱氮除磷系统，其工作的原理为：塔体内的脱氮硫杆菌等硫杆菌以no3-n为电子受体，厌氧条件下完成脱氮反应；同时，铁刨花的零价铁可与水中的硝酸盐发生氧化还原反应，将no3^-还原为no2^-、nh4⁺、nh3⁺、n2等形式，从而降低水中硝酸盐的浓度；填料中的铁刨花，电化学腐蚀和(或)生物化学腐蚀产生fe²⁺/fe³⁺，与污水中的磷酸根离结合生成磷酸铁盐等难溶性物质，从而实现磷的去除。但是该发明的塔状填料结构容易被其处理产生的难溶性物质堵塞，此外上述发明的反硝化体系为硫自养反硝化，菌群受到硫还原菌污染可能会产生h2s气体，造成二次污染。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种同步脱氮除磷的装置，可以直接作为独立单元对污水中的氮磷进行脱除，也可以加载到其他的污水处理工艺当中。本发明占地面积小、处理效率高、对碳源基本无要求，可以作为传统脱氮除磷技术的一种替代选择。

为实现上述目的，本发明提供了一种生物电化学同步脱氮除磷装置，包括一级缺氧池、好氧池、二级缺氧池以及沉淀池，其特征在于所述一级缺氧池、好氧池、二级缺氧池以及沉淀池通过溢流口依次相连；一级缺氧池连接提升泵作为装置的进水口，一级缺氧池底部设置第一曝气装置；好氧池底部设置第二曝气装置，好氧池与一级缺氧池之间通过气提管路相连；二级缺氧池底部设置第三曝气装置，上部设置电解槽，所述电解槽中放置浸没于二级缺氧池液面以下的金属电极对；金属电极对相对放置，且分别连接电源的正负极；沉淀池底部设置污泥泵，所述污泥泵连接排泥管路和回流管路，回流管路与一级缺氧池相连；所述的第一曝气装置、第二曝气装置、第三曝气装置与气提管路均连接风机。

装置中，污水依次经一级缺氧池、好氧池、二级缺氧池以及沉淀池处理，最终达到排放标准。提升泵用于将污水提升至一级缺氧池的底部。第一曝气装置用于将活性污泥与污水充分混合。第二曝气装置用于将活性污泥与污水充分混合的同时保证溶解氧含量。部分混合液通过气提管路回流至一级缺氧池。二级缺氧池中通过金属电极与氢自养反硝化菌共同作用去除污水中的n、p元素。第三曝气装置用于金属电极表面的擦洗及污水搅拌。污泥在沉淀池内进行沉淀，排泥泵将部分污泥回流至一级缺氧池中，并排出剩余污泥。

作为优选，金属电极的材料可为包含铝、镁、铁中的一种或多种的合金。

进一步优选地，金属电极的材质为铝及其合金。铝的导电性能与耐化学腐蚀能力较镁、铁更优。

更进一步优选地，金属电极的材质可为1050、1060、5005、6061型铝板材。上述类型板材基本不含铜、锰等对微生物具有毒害作用的重金属元素，此外上述类型板材价格低廉，可塑性好。

作为优选，电极总面积＝q*(0.1～0.5)m²，q为污水流量，单位为吨/天。进一步优选地，金属电极总面积＝q*0.25m²。电极面积太小，会使得污水与电极接触不充分，导致处理效率降低；电极面积过大，会使得系统整体体积增大。

作为优选，金属电极对中，金属电极间间距为10～40mm。进一步优选地，金属电极间间距为15mm，电极间距过大会引起电阻增加，电极间距过小会使得反应的传质受到影响。

作为优选，二级缺氧池的第三曝气装置位于电解槽正下方。

作为优选，第一曝气装置和/或第三曝气装置为穿孔曝气管。

作为优选，第二曝气装置为微孔曝气盘。

作为优选，提升泵设置于调节池或前置工艺池中。

作为优选，电源为直流电源，以便实现电解。

作为优选，金属电极对为一对或多对，可根据实际情况进行调整。

本发明的另一目的在于提供一种利用上述任一方案所述脱氮除磷的生物电化学同步脱氮除磷方法，其步骤如下：

1)提升泵将污水提升至一级缺氧池的底部，穿孔曝气管进行曝气，将活性污泥与污水充分混合；一级缺氧池内的厌氧菌将污水中的大分子有机物分解成小分子有机物；

2)经1)处理后的污水通过一级缺氧池的后壁上部溢流口进入好氧池，微孔曝气盘进行曝气，将活性污泥与污水充分混合的同时保证溶解氧含量；好氧池内的好氧菌进一步分解有机物为后续反应提供无机碳源，硝化细菌对氨氮进行硝化；好氧池内的部分混合液通过气提管路回流至一级缺氧池；

3)经2)处理后的污水通过好氧池的后壁下部溢流口进入二级缺氧池，直流电源开始工作，对电解槽内的金属电极进行电解并定期切换正负极；二级缺氧池内金属电极发生电解反应，阳极电解产生金属离子，阴极产生氢气，阳极产生的金属离子与溶解中的磷酸根发生反应实现磷的脱除，阴极产生的氢气被氢自养反硝化菌利用实现氮的脱除；同时利用穿孔曝气管进行曝气，对电极进行擦洗并对污水进行搅拌；

4)经3)处理后的污水通过二级缺氧池后壁中部的溢流口进入沉淀池，污泥在沉淀池内进行沉淀；排泥泵将部分污泥回流至一级缺氧池中，并排出剩余污泥。重复上述步骤。

作为优选，所述一级缺氧池、好氧池以及二级缺氧池的停留时间比为：1:(1.5～3):(0.5～2)。

进一步优选的，一级缺氧池、好氧池、二级缺氧池的停留时间比为1:3:1。一级缺氧池过短的停留时间会使高浓度总氮去除效果不佳，过长的停留时间会使增加系统占地面积。好氧池过短的停留时间会使化学需氧量以及氨氮去除不达标，影响后续总氮去除，过长的停留时间会使污泥龄老化。二级缺氧池过短的停留时间会使总磷以及低浓度总氮去除效果不佳，过长的停留时间会使增加系统占地面积。

作为优选，所述二级缺氧池电极投影面积的擦洗风量为20～50m³/(hm²)。

进一步优选的，擦洗风量为30m³/(hm²)，曝气量过低无法起到擦洗作用，曝气量过高会导致缺氧池溶解氧量上升。

作为优选，所述的一级缺氧池内溶解氧浓度为0～0.5mg/l；所述的好氧池内溶解氧浓为2～6mg/l；所述的二级缺氧池内溶解氧浓度为0～0.5mg/l。

作为优选，所述直流电源的工作电压1.8～3.5v，工作电流i＝q*ctni*(0.8～0.12)a。其中q为脱氮除磷装置的进水流量，单位t/d；ctni为进水总氮浓度，单位为mg/l。

进一步优选地，所述直流电源的工作电压为3v，电压偏低会导致电解效率降低，电压偏高，会加速电极表面钝化反应；工作电流i＝q*ctni*(0.1)a，电流偏低会导致总氮处理不彻底，电流偏高，会造成铝电极的损耗加剧。

作为优选，直流电源的正负极切换频率f＝(0.5～2)*s/i；其中s为金属电极中的电极板工作面积。

进一步优选地，所述直流电源的正负极切换频率f＝(1.5)*s/i。切换频率偏低容易导致电极钝化，切换频率过高容易损耗直流电源。

本发明提供的同步脱氮除磷系统与传统的脱氮除磷装置相比具有以下优点：

(1)将除磷系统与除氮系统结合，实现同步高效脱氮除磷，出水氮磷指标可达到iv类水以上标准，同时减小了处理所需的占地面积。

(2)在电解除磷的同时实现了氢自养反硝化，解决了反硝化反应对于有机碳源的依赖。

(3)除磷的方法经济高效，避免了有机碳源与pam、pafc以及pac等有机无机絮凝剂的使用。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图。

图2是本发明装置的原理图。

图中所示附图标记如下：

1-调节池或前置工艺池2-提升泵3-同步脱氮除磷系统

4-一级缺氧池5-穿孔曝气管6-好氧池

7-微孔曝气盘8-二级缺氧池9-电解槽

10-穿孔曝气管11-沉淀池12-污泥泵

13-风机14-直流电源

具体实施方式

如图1所示为本发明一具体实施方式。所示一种生物电化学同步脱氮除磷装置3，包括一级缺氧池4、好氧池6、二级缺氧池8以及沉淀池11，一级缺氧池4、好氧池6、二级缺氧池8以及沉淀池11通过溢流口依次相连。一级缺氧池4连接提升泵2，作为装置的进水口，底部设置穿孔曝气管5；好氧池6底部设置微孔曝气盘7，好氧池6与一级缺氧池4之间连接气提管路；二级缺氧池底部8设置穿孔曝气管10，上部设置电解槽9，所述电解槽9内安装铝电极对，铝电极对分别连接直流电源14的正负极。为了保证电解正常进行，铝电极应当浸没于二级缺氧池8液面以下。沉淀池11，底部设置污泥泵12，污泥泵12连接排泥管路和回流管路，回流管路与一级缺氧池相连，排泥管路将污泥进行外排。穿孔曝气管5、10，微孔曝气盘7与气提管路均连接风机13，通过风机13进行鼓气。

该装置的运行主要包括如下步骤：

(1)提升泵2将污水从调节池或前置工艺1提升至一级缺氧池4的底部，穿孔曝气管5进行曝气，将活性污泥与污水充分混合。

(2)污水通过一级缺氧池的后壁上部溢流口进入好氧池6，微孔曝气盘7进行曝气，将活性污泥与污水充分混合的同时保证溶解氧含量；部分混合液通过气提管路回流至一级缺氧池4。

(3)污水通过好氧池的后壁下部溢流口进入二级缺氧池8，直流电源14开始工作，对电解槽9内的铝片进行电解并定期切换正负极；同时穿孔曝气管10进行曝气，对电极进行擦洗并对污水进行搅拌。

(4)污水通过二级缺氧池后壁中部的溢流口进入沉淀池11，污泥在沉淀池11内进行沉淀；排泥泵12将部分污泥回流至一级缺氧池中，并排出剩余污泥。

不断重复上述步骤，即可实现污水连续处理。其中步骤(1)、(2)、(3)、(4)在空间上分步进行，在时间上同步进行。

如图2所示，以铝电极为例，其原理如下：一级缺氧池内的厌氧菌将污水中的大分子有机物分解成小分子有机物。好氧池内的好氧菌进一步分解有机物为后续反应提供无机碳源，硝化细菌对氨氮进行硝化：二级缺氧池内铝电极发生电解反应，阳极电解产生铝离子，阴极产生氢气：阳极产生的al³⁺与溶解中的磷酸根发生反应实现磷的脱除：阴极产生的氢气被氢自养反硝化菌利用实现氮的脱除：

该装置适用处理污水的总磷浓度ctpi＝0.5～30mg/l、总氮浓度ctni＝10～60mg/l。其处理后的总磷浓度ctpo<0.3mg/l，总氮浓度ctno<1.5mg/l。

污水在所述一级缺氧池、好氧池以及二级缺氧池的停留时间比为1:(1.5～3):(0.5～2)。优选地，一级缺氧池、好氧池、二级缺氧池的停留时间比为1:3:1。一级缺氧池过短的停留时间会使高浓度总氮去除效果不佳，过长的停留时间会使增加系统占地面积。好氧池过短的停留时间会使化学需氧量以及氨氮去除不达标，影响后续总氮去除，过长的停留时间会使污泥龄老化。二级缺氧池过短的停留时间会使总磷以及低浓度总氮去除效果不佳，过长的停留时间会使增加系统占地面积。

二级缺氧池穿孔曝气管相对于所述金属电极单位面积的鼓气速率(电极投影面积对应的擦洗风量)为20～50m³/(h*m²)。优选地，二级缺氧池穿孔曝气管电极投影面积的擦洗风量为30m³/(hm²)，曝气量过低无法起到擦洗作用，曝气量过高会导致缺氧池溶解氧量上升。

一级缺氧池内溶解氧浓度为0～0.5mg/l；好氧池内溶解氧浓为2～6mg/l；二级缺氧池内溶解氧浓度为0～0.5mg/l。

直流电源的工作电压1.8～3.5v；工作电流i＝q*ctni*(0.8～0.12)a，q为脱氮除磷装置的进水流量，单位t/d；ctni为进水总氮浓度，单位为mg/l；a表示单位安培。优选地，所述直流电源的工作电压为3v，电压偏低会导致电解效率降低，电压偏高，会加速电极表面钝化反应；工作电流i＝q*ctni*(0.1)a，电流偏低会导致总氮处理不彻底，电流偏高，会造成铝电极的损耗加剧。

直流电源会定期切换正负极；其正负极切换频率f＝(0.5～2)*s/i，s为金属电极中的电极板的工作面积。优选地，直流电源的正负极切换频率f＝(1.5)*s/i。切换频率偏低容易导致电极钝化，切换频率过高容易损耗直流电源。

以下为上述装置的电化学同步脱氮除磷测试结果，各实施例中装置的具体结构如前所述，下面仅描述其具体的工艺参数和处理效果。

实施例1

污水流量q＝100t/d，总磷浓度ctp＝6mg/l，总氮浓度ctn＝40mg/l。一级缺氧池的停留时间为2h，所述好氧池的停留时间为5h，二级缺氧池的停留时间为1h；电极总面积为36m²，工作电流为350a；混合液回流比为300。经处理后出水总磷浓度ctp≤0.5mg/l，总氮浓度≤15mg/l。

实施例2

污水流量q＝20t/d，总磷浓度ctp＝5mg/l，总氮浓度ctn＝60mg/l。一级缺氧池的停留时间为3h，所述好氧池的停留时间为8h，二级缺氧池的停留时间为2h；电极总面积为8m²，工作电流为100a；混合液回流比为250。经处理后出水总磷浓度ctp≤0.3mg/l，总氮浓度≤10mg/l。

实施例3

污水流量q＝40t/d，总磷浓度ctp＝5mg/l，总氮浓度ctn＝20mg/l。一级缺氧池的停留时间为2h，所述好氧池的停留时间为3h，二级缺氧池的停留时间为1h；电极总面积为16m²，工作电流为80a；混合液回流比为100。经处理后出水总磷浓度ctp≤0.5mg/l，总氮浓度≤8mg/l。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。