一种污水生物处理装置及其工艺和应用的制作方法

本发明涉及污水处理领域，具体为一种污水生物处理装置及其工艺和应用。
背景技术：
：随着技术的发展和生活水平的提高，人民对生活环境包括水环境的要求不断提高，日常生活、生产等所排出的污水需处理达标后才能排放。然而，污水处理属高能耗产业之一。在城市，污水处理电耗往往超过全市电耗的10％。在农村，污水处理主要采用三种模式，分散处理模式、村落集中处理模式及纳入城镇排水管网模式，农村污水处理普及率较低，处理能耗相对较高。因此，降低污水生物处理工艺的能耗很有必要。传统污水生物处理工艺包括厌氧好氧(a/o)工艺、微生物燃料电池(mfc)技术等。a/o工艺除了能使有机污染物得到降解(好氧池)之外，还具有一定的脱氮除磷功能(厌氧池)，是一种改进的活性污泥法。mfc技术是利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置，在阳极厌氧环境下，有机物在厌氧微生物的作用下分解并释放出电子和质子，电子通过外电路传递到阴极形成电流，而质子通过质子交换膜传递到阴极，氧化剂(一般为氧气)在阴极得到电子被还原与质子结合成水。技术实现要素：本发明提供一种污水生物处理装置及其工艺和应用，将a/o工艺、mfc技术耦合，同时对装置进行改进，从而提高污水中污染物去除率，降低工艺能耗和污泥产量，无需使用沉淀池，简化了装置。本发明提出一种污水生物处理装置，包括厌氧池、好氧池，厌氧池、好氧池的底端相连通；厌氧池内，设有普通填料一和阳极填料；好氧池内，设有普通填料二，好氧池的表面漂浮有阴极，好氧池的底部设有曝气系统；厌氧池内的阳极填料与好氧池表面漂浮的阴极，通过至少一组导线、发热电阻连接，形成闭路。进一步地，所述阳极填料占普通填料一和阳极填料的体积比为30-100％。进一步地，所述阴极占好氧池表面的面积比为30-100％。进一步地，所述阳极填料、阴极由导电材料构成；所述导电材料包括碳毡或碳布中的至少一种。进一步地，厌氧池和好氧池的体积比例为1:1-1:3。进一步地，还包括空压机，所述空压机为曝气系统提供氧气；所述空压机和曝气系统之间设有气体流量计。进一步地，所述装置还包括调节池，所述调节池和厌氧池相连通。进一步地，所述调节池和厌氧池之间连有蠕动泵和液体流量计。本发明还提出一种污水生物处理工艺，利用上述装置，包括：向所述厌氧池、好氧池内接种污泥菌种，待处理污水进入厌氧池内，在厌氧微生物作用下，污染物得到反应去除后，待处理污水从厌氧池的底部流入好氧池内，污染物在好氧微生物作用下，反应去除；漂浮的阴极可以拦截好氧池内的污泥。本发明还提出上述装置在农村污水生物处理中的应用。本发明具有以下优势：本发明提出的污水生物处理装置及其工艺和应用，将mfc耦合在a/o工艺中，将厌氧池内的阳极填料作为mfc的阳极，好氧池表面漂浮的阴极作为mfc的阴极，mfc的阳极进行氧化反应将污染物的化学能转化成电能，漂浮的mfc的阴极可拦截污泥、氧气等，使得污染物去除率高，工艺能耗低，污泥产量低，且无需使用沉淀池，简化了装置。附图说明构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：图1为本发明实施例所示污水生物处理装置结构示意图；附图标记说明：1、厌氧池；2、好氧池；31、普通填料一；32、普通填料二；4、阳极填料；5、阴极；6、发热电阻；7、导线；8、曝气系统；9、空压机；10、气体流量计；11、调节池；12、蠕动泵；13、液体流量计；14、稳定水层。具体实施方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。如图1所示，本发明一实施例提出一种污水生物处理装置，包括厌氧池1、好氧池2，所述厌氧池1、好氧池2的底端相连通；厌氧池1内，装有普通填料一31和阳极填料4；好氧池2内，装有普通填料二32，好氧池2的表面漂浮有阴极5，好氧池2的底部设有曝气系统8；厌氧池1内的阳极填料4，好氧池2表面漂浮的阴极5，通过至少一组导线7、发热电阻6(功率电阻)连接，形成闭路。本发明实施例提出的污水生物处理装置，考虑到微生物燃料电池(mfc)技术和厌氧好氧(a/o)工艺均利用厌氧和好氧环境，发明人将mfc耦合在a/o工艺中，将厌氧池内的阳极填料作为mfc的阳极，好氧池表面漂浮的阴极作为mfc的阴极，mfc的阳极进行氧化反应将污染物的化学能转化成电能，漂浮的mfc的阴极可拦截污泥、氧气等，使得污染物去除率高，工艺能耗低，污泥产量低，且无需使用沉淀池，简化了装置。具体而言，对于mfc，厌氧池中，mfc的阳极处，污染物在厌氧微生物的作用下分解并释放出电子和质子，电子通过外电路传递至mfc的阴极，质子直接流至好氧池的阴极处；好氧池内，mfc的阴极处，氧气与电子、质子共同反应生成水。对于a/o，厌氧池内，污染物在厌氧微生物的作用还可实现脱氮除磷；好氧池内，污染物在好氧微生物作用下实现分解等。与此同时，厌氧池的表面设置漂浮的阴极作为mfc的阴极，首先，可以降低好氧池中溶解氧向空气的扩散，同时，也可吸收空气中的氧气，减少a/o工艺的能耗；其次，漂浮的阴极可以阻挡污泥排出，有利于污泥中菌种在好氧池内充分发挥作用，也可降低后续污泥处理的费用和能耗；再次，省去沉淀池，简化装置。此外，厌氧池内的阳极填料作为mfc的阳极，好氧池表面漂浮的阴极作为mfc的阴极，通过一组或多组导线、发热电阻将其连接形成闭路，如此，mfc可将化学能转化成电能，被电阻转化为热能，可用于加热待处理污水，提高污水处理的温度，从而进一步提高反应速率。需要指出，好氧池2的表面漂浮有阴极5，主要指阴极5漂浮在好氧池2内待处理水形成的稳定水层14(没过填料)的表面。也即，阴极5漂浮于好氧池2的稳定水层14内或漂浮于稳定水层14的表面。本发明实施例中，普通填料一31和普通填料二32指的是普通生物填料，包括多孔悬浮球填料等。其中，厌氧池1内普通填料一31可以与好氧池2内的普通填料二32相同。本发明一实施例中，所述阳极填料4、阴极5由导电材料构成；所述导电材料包括碳毡、碳布。碳毡、碳布等均为多纤维材料，所制成的阴极板可以对微生物以及氧气等起到截留作用，延长停留时间，使微生物能够进一步降解，同时，可充分利用曝气产生的溶解氧，强化了对水中污染物的去除，从而进一步提高出水水质。本发明一实施例中，所述阳极填料4占普通填料一31和阳极填料4的体积比为30-100％。优选的，所述阳极填料4占普通填料一31和阳极填料4的体积比为80％。由于厌氧池1的表层溶解氧较高，阳极填料4填充在厌氧池1表层以下。本发明一实施例中，所述阴极5占好氧池2表面的面积比为30-100％，优选的，所述阴极5占好氧池2表面的面积比为100％。所述阴极5可以为阴极板等形式，飘浮于稳定水层14上。本发明一实施例中，厌氧池1和好氧池2的体积比例为1:1-1:3。优选的，厌氧池1和好氧池2的体积比例为1:2。厌氧池1和好氧池2的顶部均为开放设置。本发明一实施例中，所述装置还包括空压机9，所述空压机9为曝气系统8提供氧气。所述空压机9和曝气系统8之间设有气体流量计10。所述好氧段内溶解氧为2-4mg/l。所述厌氧池1内溶解氧小于0.2mg/l。本发明一实施例中，所述曝气系统8包括曝气盘。好氧池2池底的曝气盘可以将空压机9(空气压缩机)输送来的空气以气泡的形式分散到水中，使得氧气充分溶入水中，形成水流的旋转和上下流动，实现好氧池2内水体均匀富氧。本发明一实施例中，所述装置还包括调节池11，所述调节池11和厌氧池1相连通。所述调节池11和厌氧池1之间连有蠕动泵12和液体流量计13。所述调节池11用于盛放待处理污水，所述调节池11内的污水通过水管和蠕动泵12进水至厌氧池1。本发明还提出一种污水生物处理工艺，利用上述装置，包括：向厌氧池1内接种含有厌氧微生物的污泥，向好氧池2内接种含有好氧微生物的污泥，待处理污水进入厌氧池1内，相应污染物在厌氧微生物作用下，反应去除后，待处理污水从厌氧池1的底部流入好氧池2内，相应污染物在好氧微生物作用下，反应去除；漂浮的阴极5可以拦截好氧池2内的污泥，进一步提高反应效果。本发明实施例中，厌氧池1内可接种含有厌氧微生物的污泥，好氧池2内可接种含有好氧微生物的污泥，也可在好氧池2和厌氧池1内均接种同时含有厌氧微生物、好氧微生物的污泥，以保证好氧反应和厌氧反应顺利进行为主。待处理污水中所含污染物包含有机物、含氮污染物、含磷污染物等。本发明一实施例还提出上述装置在农村污水生物处理中的应用。由于该装置具有污染物去除效率高，能耗低，污泥排放量低等优势，因此，可单独用于农村污水处理中，从而提高能源利用率。下面将结合实施例详细阐述本发明。实施例1如图1所示，采用本发明提出的耦合阴极漂浮型mfc的a/o污水生物处理装置，对化粪池出水进行处理；其中，所述装置，包括厌氧池、好氧池，厌氧池、好氧池的底端相连通；厌氧池内，设有多孔悬浮球填料，碳毡球(碳毡球占总填料体积比30％)；好氧池内，设有多孔悬浮球填料，好氧池的表面漂浮有碳毡板(碳毡板占好氧池表面的面积比为100％)，厌氧池的底部设有曝气盘；厌氧池内的碳毡球，好氧池表面漂浮的碳毡板，通过三组导线、发热电阻连接，形成闭路；上述装置的长宽高分别为1.00m、0.50m、1.15m，厌氧池和好氧池的有效容积总计500l，容积比为1：3，有效容积分别为125l和375l，水力停留时间24小时，发热电阻的阻值为1kω。对比例1同实施例1，不同之处在于，厌氧池4内的碳毡球，厌氧池4表面漂浮的阴极开路设置，未通过导线、发热电阻连接成闭路。也即，仅含a/o工艺。对比例2同实施例1，不同之处在于，将mfc阴极插入好氧池内，而非漂浮于好氧池的表面。试验例(1)将实施例1和对比例1两个装置在相同的能耗条件下，连续运行一年，每天监测装置的温度、溶解氧和电压，定期对进水，出水取样监测，实验结果见表1。表1项目实施例1对比例1cod去除率(％)71-86(76)65-81(71)氨氮去除率(％)85-93(88)80-86(83)tn去除率(％)59-76(68)56-71(63)tp去除率(％)48-65(55)42-59(51)污泥产量比对比例1少18％-24％-产电0.70v、0.45v、0.30v无由表1可得，应用实施例1(a/o-阴极漂浮mfc闭路设置)所述装置的污水处理效果稍好，cod去除率达到70％以上，平均值为76％。氨氮去除率，tn去除率，tp去除率均明显优于对比例1(a/o-阴极漂浮mfc开路设置)仅含有a/o工艺的污水生物处理装置。污泥产量(质量)相对于对比例1减少了约20％。三组电极由深到浅(图1)产电平均分别为0.70v、0.45v、0.30v，可见，mfc将化学能转化成电能从而实现节能。此外，为了进一步获得实施例1工作一年所得污水处理效果，延长对比例1装置的处理时间，当对比例1装置达到实施例1装置所得污水处理效果时，对比例1装置的运行能耗增加了15-20％，同时，污泥产量(质量)增加了20％。(2)将实施例1与对比例2所述两个装置在相同的能耗条件下，连续运行一年，每天监测装置的温度、溶解氧和电压，定期对进水，出水取样监测，实验结果见表2。表2污水去除效果实施例1对比例2cod去除率(％)71-86(76)68-83(73)氨氮去除率(％)85-93(88)81-89(85)tn去除率(％)59-76(68)57-74(65)tp去除率(％)48-65(55)44-61(52)污泥产量比对比例2少11-15％-产电0.70v、0.45v、0.30v0.48v、0.32v、0.15v注：括号内为平均值。可见，本申请实施例1(a/o-阴极漂浮mfc闭路设置)所提出的含有漂浮阴极的装置比对比例2(a/o-阴极插入mfc闭路设置)中阴极直接插入好氧池内的装置相比，污水处理效果明显提升，产电能大大提高，且明显降低的污泥产量。以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12