一种生物电驱动的高氮磷污水氮磷回收装置及方法

本发明涉及污水处理，尤其涉及一种生物电驱动的高氮磷污水氮磷回收装置及方法。

背景技术：

1、高浓度氮磷废水主要来源于船舶生活污水、畜禽粪便废水、农业污水以及医疗和制药等工业废水，具有来源广、排放大、危害强等特点。这些废水中的氮主要以尿素、氨氮的形式存在，磷主要以磷酸盐的形式存在。高浓度磷氮排入水体将引发严重的水体富营养化，打破生态环境平衡，从而对环境、人体、经济带来不利影响；另一方面，氮元素和磷元素是非常重要的农业肥料资源，目前肥料中的氨氮主要通过哈伯法(haber-bosch)合成，能耗和成本较高，磷更是难以再生的非金属矿产资源。因此，基于可持续发展的需求，对高氮磷废水中的氮、磷进行高效回收利用，可以实现废水净化与资源回收的双重效益。

2、当前主流的高氮磷废水处理技术主要包括生物法、吸附法以及化学沉淀法等方法。其中，生物法脱氮除磷成本低，无需额外添加药剂，但存在占地面积大、工艺流程长、需要曝气、能耗高等缺点，且无法实现氮和磷的回收利用；吸附法能耗低，但是目前大部分吸附材料对高浓度的氮、磷废水处理效果不佳，吸附剂再生困难，氮、磷难以回收利用；化学沉淀法工艺设计简单，可将氮和磷同步回收为磷酸铵镁(鸟粪石)等肥料，但需要额外投加镁源沉淀剂，并需要用氢氧化钠等碱剂调节体系ph至9以上，因此成本较高，此外，这种方法需要较高的氨氮和磷酸盐浓度才能形成鸟粪石结晶，对低浓度的氮、磷回收效果不佳，更无法处理以尿素为主要氮源的废水。

3、因此亟需一种能够解决现有的处理技术存在能耗高、无法实现或难以实现氮磷回收利用，以及需要额外添加镁源沉淀剂、成本高、氮磷效果不佳、无法处理尿素为主要氮源的废水问题的一种高氮磷污水回收装置及方法。

技术实现思路

1、本发明提供一种生物电驱动的高氮磷污水氮磷回收装置及方法，以解决上述问题。

2、为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

3、一种生物电驱动的高氮磷污水氮磷回收装置，包括箱体、阳极室、阴极室、回收室、外电路以及回收结构；

4、所述阳极室、阴极室、回收室均设于箱体内，所述阳极室设有阳极材料，所述阳极材料表面附有具有产电以及耐氨氮或水解尿素产氨氮功能的生物膜，所述阴极室设有阴极材料，所述阳极材料和阴极材料通过所述外电路连接；

5、所述具有产电以及耐氨氮功能的生物膜为产电菌和耐氨氮的ectoine分泌型盐单胞菌的共生生物膜；

6、所述具有产电以及水解尿素产氨氮功能的生物膜为尿素水解细菌、产电菌以及耐氨氮的ectoine分泌型盐单胞菌的共生生物膜或具有同步尿素水解和产电功能的盐单胞菌生物膜；

7、所述回收室设于所述阴极室与所述阳极室之间，所述阳极室与所述回收室之间设有阳离子交换膜，所述阴极室与所述回收室之间设有阴离子交换膜；

8、高氮磷污水通过进水管由阳极室进水口输送至阳极室，由阳极室出水口以及第一管路经阴极室进水口流入阴极室，再经阴极室出水口和第二管路由阳极室进水口进入阳极室，高氮磷污水在阴极室和阳极室循环流动，所述回收室通有海水或海水淡化浓缩水；所述回收结构连接在所述回收室下侧；所述生物膜上的菌种能够代谢产生生物电为装置供电，在阴极材料与阳极材料之间形成的电场力的驱动下，所述阳极室污水中的阳离子nh4+透过阳离子交换膜进入回收室，所述阴极室污水发生还原反应生成oh-，阴极室污水中的阴离子po43-和生成的oh-透过阴离子交换膜进入回收室，回收室海水或海水淡化浓缩水中的mg2+与nh4+、po43-以及oh-发生结晶反应，生成磷酸铵镁沉淀，所述回收结构用于将生成的沉淀和处理后的废水进行分离并回收。

9、进一步的，所述回收组件包括回收斗、固液分离器、收集罐、第三水泵、第三管路以及第四管路；

10、所述固液分离器为离心装置；

11、所述回收斗设于所述回收室下侧，所述固液分离器两侧分别与所述回收斗以及所述收集罐连接，所述固液分离器一侧连有排水管，生成的沉淀在重力作用下进入所述回收斗，液体和沉淀一同经第三管路进入固液分离器，分离出的沉淀经第四管路进入收集罐回收，分离出的废水经排水管以及排水管上设置的第三水泵排出。

12、进一步的，所述进水管上设有第一水泵和过滤器；

13、所述第二管路上靠近所述阳极室进水口一端设有第二水泵，所述第二管路与所述进水管连通。

14、进一步的，所述回收室一侧设有回收室进水口，所述回收室进水口处连接有第五管路，所述第五管路上设有第四水泵；

15、所述回收室顶部设有回收室出水口，所述回收室内反应后的废水经回收室出水口排出。

16、进一步的，所述阳极材料包括碳纸、碳布、碳刷、石墨片/棒、碳毡、泡沫石墨或活性碳；

17、所述阴极材料包括空气阴极、析氢阴极、碳纸、石墨棒或载铂石墨。

18、进一步的，所述外电路包括耗电器或电源，所述耗电器包括外阻、led显示器或指示表，所述电源为可提供特定电压或电流的直流电源。

19、一种采用所述的生物电驱动的高氮磷污水氮磷回收装置进行高氮磷污水氮磷回收方法，包括以下步骤：

20、s1：阳极材料上的生物膜培养：

21、取下氮磷回收装置的阳离子交换膜和阴离子交换膜，以阳极材料和空气阴极组装单腔室微生物燃料电池，阳极材料为阳极、空气阴极为阴极，在阴极和阳极之间接10～2000欧姆外阻；

22、或取下氮磷回收装置的阴离子交换膜，以阳极材料、析氢阴极和阳离子交换膜组装双腔室微生物燃料电池反应器，阳极材料为阳极、析氢阴极为阴极，阴极和阳极之间接直流电源，控制阴极电势为-0.5～-2.0v vs.she；

23、在单腔室或阳极室中接种含有种子细菌的基质溶液，并定期更换基质溶液，连续培养1个月以上，直至微生物燃料电池的电压和电流曲线连续3个周期可重复，阳极材料上生物膜培养完成，排除装置内的基质溶液；

24、s2：以培养好生物膜的阳极材料作为氮磷回收装置的阳极，箱体内靠近阳极材料一侧安装阳离子交换膜，靠近阴极材料一侧安装阴离子交换膜，阳离子交换膜与阴离子交换膜之间形成所述回收室，所述回收室两侧形成所述阳极室和所述阴极室；

25、通过第一水泵将高氮磷废水泵入过滤器，然后通过第二水泵将经过滤器过滤后的高氮磷废水泵入所述氮磷回收装置的阳极室和阴极室，高氮磷废水在阳极室与阴极室之间循环流动，同时通过第四水泵及第五管路向回收室中泵入海水或海水淡化浓缩水；

26、s3：阳极材料上的生物膜代谢基质中的有机物产电，并将尿素转化为氨氮，在阴阳极之间电场力的驱动下，nh4+透过阳离子交换膜迁移进入回收室；阴极发生氧还原反应生成oh-，阴极室中po43-和oh-透过阴离子交换膜迁移进入回收室；回收室中海水中的mg2+与迁移过来的nh4+、po43-和oh-发生结晶反应，生成磷酸铵镁沉淀；

27、s4：生成的磷酸铵镁沉淀在重力作用下进入回收斗，废水和沉淀一同经第三管路进入固液分离器，经固液分离器离心分离后，在收集罐内收集磷酸铵镁沉淀，分离出的废水经第三水泵以及第五管路排出。

28、进一步的，s1中，所述种子细菌为产电菌和ectoine分泌型盐单胞菌的混合菌液、尿素水解细菌、产电菌以及ectoine分泌型盐单胞菌的混合菌液或具有同步尿素水解和产电功能的盐单胞菌菌液。

29、本发明的有益效果是：

30、(1)本发明利用具有产电和耐/产氨氮功能的生物阳极，与具有氢氧根离子生成功能的化学阴极组成生物电驱动系统，持续驱动nh4+、po43-以及oh-向回收室定向迁移，最终回收为磷酸铵镁(鸟粪石)，本发明不仅可实现废水高效脱氮除磷，还能将废水中的氮磷回收为高价值肥料，具有显著的环保效益和经济价值；

31、(2)本发明利用阳极上的电活性微生物自身代谢产电，为装置供电；同时，整个装置无需曝气，铵根离子、磷酸根离子和氢氧根离子在氮磷回收装置自身电场力的驱动下定向迁移，也无需额外耗能，本发明可大幅降低氮磷去除以及回收的能耗；

32、(3)本发明阳极材料上生长产电菌和ectoine分泌型盐单胞菌的共生生物膜、尿素水解细菌、产电菌以及ectoine分泌型盐单胞菌的共生生物膜或具有同步尿素水解和产电功能的盐单胞菌生物膜，不仅可以有效处理以氨氮为主要氮污染源的废水，还可以有效处理以尿素为主要氮源的废水；

33、(4)比传统化学沉淀法，nh4+和po43-必须达到较高浓度才可形成鸟粪石沉淀，对低浓度的氮、磷去除效果不佳，而本发明通过电场力持续驱动nh4+和po43-向回收室定向迁移，即使氮、磷浓度较低，两种离子在回收室仍能够不断富集，最终达到形成鸟粪石结晶的浓度，本发明对高浓度和低浓度氮、磷都具有良好的去除效果；

34、(5)本发明利用海水中的mg2+为镁源、利用阴极氧还原反应或析氢反应产生的oh-为碱源，与污水中的po43-和nh4+结晶生成高价值肥料鸟粪石，无需额外投加化学镁源药剂和ph调节碱剂，克服了传统化学沉淀法成本较高的问题。