申請日2016.05.16
公開(公告)日2016.09.07
IPC分類號C02F11/00; C02F11/02; C02F101/10
摘要
本發明公開了一種生物電化學輔助無能耗回收污泥中磷的裝置及方法，裝置包括反應器和磷回收循環裝置，反應器內依次設置陽極室、陰極室和回收室，陽極室內設置陽極電極，陰極室內設置陰極電極，磷回收裝置包括：輸入端位于所述陰極室內、輸出端位于所述回收室上方的第一吸附傳送帶;輸入端位于所述回收室內、輸出端位于所述陰極室上方的第二吸附傳送帶;以及驅動所述第一吸附傳送帶和第二吸附傳送帶運行的驅動機構，該驅動機構的電源接口通過導線連接陽極電極和陽極電極。本發明以微生物燃料電池產生電流帶動傳送帶運輸，實現污泥中磷的無能耗回收。
權利要求書
1.一種生物電化學輔助無能耗回收污泥中磷的裝置，包括反應器，所述反應器內分隔為沿水平向依次排布的陽極室、陰極室和回收室，陽極室與陰極室之間為陰離子交換膜，陰極室與回收室之間為隔板，陽極室內設置陽極電極，陰極室內設置陰極電極和曝氣裝置;其特征在于，還包括磷回收循環裝置，所述磷回收裝置包括：
輸入端位于所述陰極室內、輸出端位于所述回收室上方的第一吸附傳送帶;
輸入端位于所述回收室內、輸出端位于所述陰極室上方的第二吸附傳送帶;
驅動所述第一吸附傳送帶和第二吸附傳送帶運行的驅動機構，該驅動機構的電源接口通過導線連接陽極電極和陰極電極
設于陰極室內為所述第一吸附傳送帶提供磁場的第一磁鐵和設于回收室內為所述第二吸附傳送帶提供磁場的第二磁鐵;
以及在陰極室和回收室之間循環的磁性吸附顆粒。
2.根據權利要求1所述裝置，其特征在于，所述第一磁鐵設于第一傳送帶內部;所述第二磁鐵設于第二吸附傳送帶內部。
3.根據權利要求2所述裝置，其特征在于，所述第一磁鐵與所述陰離子交換膜之間的垂直間距為第一吸附傳送帶單向傳輸長度的1/5～1/3;所述第二磁鐵與所述隔板之間的垂直間距為第二吸附傳送帶單向傳輸長度的1/5～1/3。
4.根據權利要求1所述裝置，其特征在于，所述第一吸附傳送帶和第二吸附傳送帶的單向傳輸長度均為陰極室的1/2～1寬度。
5.根據權利要求1所述裝置，其特征在于，所述第一吸附傳送帶的輸入端安裝于所述陰極室內的1/4～2/3高度內;所述第二吸附傳送帶的輸入端安裝于所述回收室內的1/4～2/3高度內。
6.根據權利要求1所述裝置，其特征在于，所述陽極電極包括石墨電極、復合在石墨電極表面的生物兼容層以及覆蓋在生物兼容層表面的產電菌生物膜。
7.根據權利要求1所述裝置，其特征在于，所述陽極電極與陰極電極的間距為10～20cm。
8.一種利用權利要求1所述污泥中磷無能耗回收裝置進行污泥中磷回收的方法，其特征在于，包括如下步驟：
(1)將破碎預處理后的污泥上清液送入陽極室，經產電菌降解，所獲電子通過外電路轉移至陰極，形成電流，同時磷酸根離子通過陰離子交換膜到達陰極室;
(2)第一磁鐵產生磁場，使吸附有磷酸根的磁性吸附顆粒在磁場的作用下定向移動附著至第一吸附傳送帶表面，陰極電極與陽極電極之間的電流支持第一吸附傳送帶運行;
(3)通過第一吸附傳送帶運輸，吸附有磷酸根的磁性吸附顆粒從陰極室轉移至回收室上方，回收室上方遠離磁場，吸附有磷酸根的磁性吸附顆粒脫離第一吸附傳送帶并落入回收室內，與回收室內解析液作用實現解析，實現磷從污泥中的脫離并且成功與吸附劑表面脫附;
(4)解析后的磁性吸附顆粒在第二磁鐵的作用下附著至第二吸附傳送帶表面，陰極電極與陽極電極之間的電流支持第一吸附傳送帶運行;磁性吸附顆粒隨第二吸附傳送帶運行至陰極室上方，陰極室上方遠離磁場，磁性吸附顆粒從第二吸附傳送帶上脫落并下落至陰極室內，實現循環利用。
9.根據權利要求8所述方法，其特征在于，陰極室內的電解液為M9溶液;回收室內的解析液為5%-10%的NaOH溶液;磁性吸附顆粒為磁性鐵氧體吸附劑CMC-CoFe2O4。
說明書
一種生物電化學輔助無能耗回收污泥中磷的裝置及方法
技術領域
本發明涉及微生物燃料電池與磷回收技術，具體涉及一種污泥中磷的生物電化學輔助無耗能回收裝置及方法。
背景技術
磷是全球糧食生產一個重要的營養來源，在自然界中，磷主要以磷酸鹽的形式存在于礦石，全球的磷礦資源儲量不足開采100年，且分布極不平衡，主要分布于摩洛哥(42%)、中國(26%)、美國(7%)、南非(5%)，其他缺乏磷礦資源的國家主要依賴于進口磷資源來滿足本國生產需要。磷在自然界中的歸趨行為是一種單向遷移轉化，它并不能像氮一樣進入空氣，再從空氣進入生物體內，它是一種可貴的不可再生資源。因此，目前磷礦資源已經作為一種稀缺性戰略資源得到越來越多的關注和研究。
目前，磷回收方法有化學法或者生物化學相結合的方法。例如磷酸鹽處理法、生物富集法、膜分離技術法、吸附法等。
專利CN105198168 A研發了一種集A2/O、MBR與生物接觸氧化池優勢于一體，成功解決了傳統工藝中DPAOS、反硝化菌與硝化菌的競爭性矛盾：一個工藝存在兩個污泥齡，將硝化過程從A2/O中分離出去，讓污水在生物接觸氧化池充分進行消化反應。生物接觸氧化池回流回來的硝態氮為A2/O的缺氧區提供了充足的電子受體，為反硝化除磷提供了很好的環境。但該發明只適用于低碳氮比的城市污水除磷處理工藝，應用范圍較小，且處理工藝耗時長，完成一個脫磷工藝約14小時。
專利CN105214629 A提供了一種生物質基納米氧化鑭除磷復合吸附劑，該復合吸附劑以生物質陰離子交換樹脂為基體，其上負載納米氧化鑭。與現有材料相比，該發明所得生物質復合吸附劑既有強堿季胺基團的靜電吸引作用又有納米氧化鑭對磷酸根的特異性專屬吸附作用，因此吸附容量大幅提高。然而，該發明制備工藝復雜繁瑣、耗時長、單次制備劑量小，還未能實現大規模生產。
專利CN105195207 A提供了一種脫色、脫氮除磷復合催化氧化材料，應用于地表水污染脫色、脫氮除磷的綜合治理。該發明制得的復合催化氧化材料具有優越的脫色、脫氮除磷的處理效果，且具有一定的磁性，便于催化后的回收處理。但該發明工藝耗時長，且脫磷率不及20%，效率低下。
發明內容
本發明提供一種生物電化學輔助無能耗回收污泥中磷的裝置及方法以微生物燃料電池產生電流帶動傳送帶運輸，實現污泥中磷的無能耗回收。同時構建磁場，輔助磁性吸附材料的定向遷移，使得鐵磷復合物能夠定向移動與其余雜質分開，具有降污、產能、回收磷的三重效益。
一種生物電化學輔助無能耗回收污泥中磷的裝置，包括反應器，所述反應器內分隔為沿水平向依次排布的陽極室、陰極室和回收室，陽極室與陰極室之間為陰離子交換膜，陰極室與回收室之間為隔板，陽極室內設置陽極電極，陰極室內設置陰極電極和曝氣裝置;還包括磷回收循環裝置，
所述磷回收裝置包括：
輸入端位于所述陰極室內、輸出端位于所述回收室上方的第一吸附傳送帶;
輸入端位于所述回收室內、輸出端位于所述陰極室上方的第二吸附傳送帶;
驅動所述第一吸附傳送帶和第二吸附傳送帶運行的驅動機構，該驅動機構的電源接口通過導線連接陽極電極和陰極電極
設于陰極室內為所述第一吸附傳送帶提供磁場的第一磁鐵和設于回收室內為所述第二吸附傳送帶提供磁場的第二磁鐵;
以及在陰極室和回收室之間循環的磁性吸附顆粒。
第一吸附傳送帶的輸入端通過從動輥安裝于所述陰極室內、輸出端通過主動輥安裝于所述回收室的上方;第二吸附傳送帶的輸入端通過從動輥安裝于所述回收室內、輸出端通過主動輥安裝于所述陰極室的上方;兩個吸附傳送帶的主動輥均與驅動機構相連。
經破碎預處理后的污泥進入陽極室，經產電菌降解有機物產生電子，所獲電子通過外電路轉移至陰極，形成電流，所產電流用于帶動傳送帶運輸。與此同時，磷酸根離子通過陰離子交換膜到達陰極室，陰極室內的磷酸根離子通過磁性介質以及磁場作用吸附于第一吸附傳送帶上，由第一吸附傳送帶的輸出端下落至回收室內，在回收室內解析后的介質再由第二吸附傳送帶輸送會陰極室內。
所述驅動機構為電機等常規驅動設備。
優選地，所述第一磁鐵設于第一傳送帶內部;所述第二磁鐵設于第二吸附傳送帶內部。
進一步優選，所述第一磁鐵和第二磁鐵均為條形磁鐵。
磷酸根離子通過陰離子交換膜到達陰極室被磁性吸附劑所吸附。條形磁鐵產生磁場，使磁性吸附劑在磁場的作用下定向移動附著至傳送帶表面。通過傳送帶運輸，從陰極室轉移至回收室，吸附劑與磷酸根復合物與解析液相互作用，置換出磷酸根，最終實現磷從污泥中的脫離并且成功與吸附劑表面脫附。經解析后的吸附劑進入回收循環系統，沿第二吸附傳送帶返回陰極室，實現循環利用。
本發明以微生物燃料電池產生電流帶動傳送帶運輸，同時構建磁場，輔助磁性吸附材料的定向遷移，使得鐵磷復合物能夠定向移動與其余雜質分開，具有降污、產能、回收磷的三重效益
進一步優選地，所述第一磁鐵與所述陰離子交換膜之間的垂直間距為第一吸附傳送帶單向傳輸長度的1/5～1/3;所述第二磁鐵與所述隔板之間的垂直間距為第二吸附傳送帶單向傳輸長度的1/5～1/3。
優選地，所述第一吸附傳送帶和第二吸附傳送帶的單向傳輸長度均為陰極室的1/2～1寬度。
優選地，所述第一吸附傳送帶的輸入端安裝于所述陰極室內的1/4～2/3高度內;所述第二吸附傳送帶的輸入端安裝于所述回收室內的1/4～2/3高度內。
高度過高，則接觸面少，吸附量少，降低整體回收速率;高度過低，則傳送帶阻力過大，陽極所產電的驅動不足，導致傳送帶轉動過慢。具體高度視陽極進水而定，在水質有機物充足，即陽極電子充足前提下，盡量將傳送帶壓低，增大面積，提高吸附量。
優選地，所述陽極電極包括石墨電極、復合在石墨電極表面的生物兼容層以及覆蓋在生物兼容層表面的產電菌生物膜。
陽極電極為石墨電極上覆有生物兼容層復合而成的復合電極，所述生物兼容層表面覆蓋產電菌生物膜。
所述生物兼容層選用比表面積大、導電性好以及生物兼容性好的材料，進一步優選為碳系材料(石墨烯、碳納米管、活性炭)、導電聚合物(聚苯胺)。從價格及穩定性考慮，進一步優選為活性炭。
陰極需要篩選耐腐蝕抗氧化的金屬材料并以氧氣為電子受體，進一步優選，所述陰極材料為不銹鋼電極。
所述的陽極室與陰極室由陰離子交換膜隔離，陽極與陰極間距不超過20cm，距離過大會導致電池內阻過大，從而降低微生物燃料電池電能輸出優選地，所述陽極電極與陰極電極的間距為10～20cm。
本發明還提供一種利用所述污泥中磷無能耗回收裝置進行污泥中磷回收的方法，包括如下步驟：
(1)將破碎預處理后的污泥上清液送入陽極室，經產電菌降解，所獲電子通過外電路轉移至陰極，形成電流，同時磷酸根離子通過陰離子交換膜到達陰極室;
(2)第一條形磁鐵產生磁場，使吸附有磷酸根的磁性吸附顆粒在磁場的作用下定向移動附著至第一吸附傳送帶表面，陰極電極與陽極電極之間的電流支持第一吸附傳送帶運行;
(3)通過第一吸附傳送帶運輸，吸附有磷酸根的磁性吸附顆粒從陰極室轉移至回收室上方，回收室上方遠離磁場，吸附有磷酸根的磁性吸附顆粒脫離第一吸附傳送帶并落入回收室內，與回收室內解析液作用實現解析，實現磷從污泥中的脫離并且成功與吸附劑表面脫附;
(4)解析后的磁性吸附顆粒在第二條形磁鐵的作用下附著至第二吸附傳送帶表面，陰極電極與陽極電極之間的電流支持第一吸附傳送帶運行;磁性吸附顆粒隨第二吸附傳送帶運行至陰極室上方，陰極室上方遠離磁場，磁性吸附顆粒從第二吸附傳送帶上脫落并下落至陰極室內，實現循環利用。
上述步連續且循環進行，持續降解污泥中的有機物，并在陰極室發生吸附反應，于回收室對磷進行回收。
優選地，陰極室內盛裝電解質液，所述電解液為M9溶液。
優選地，回收室內的解析液為5%-10%的NaOH溶液。
優選地，為了能夠最大程度地吸附磷，所述的吸附材料為磁性鐵氧體吸附劑CMC-CoFe2O4，該吸附劑可以通過吸附解析循環利用，不會產生二次污染，且具有磁性，便于后續分離回收，也可采用磁性Fe3O4/Beta沸石、納米結構Fe3O4/Y2O3磁性顆粒，這些磁性顆粒均為現有方法制備得到或者通過市購途徑獲得。
本發明處理原理如下：
經破碎預處理后的污泥進入陽極室，經產電菌降解有機物產生電子，所獲電子通過外電路轉移至陰極，形成電流，所產電流用于帶動傳送帶運輸。與此同時，磷酸根離子通過陰離子交換膜到達陰極室被磁性吸附劑所吸附。條形磁鐵產生磁場，使磁性吸附劑在磁場的作用下定向移動附著至特制傳送帶表面。通過傳送帶運輸，從陰極室轉移至回收室，吸附劑與磷酸根復合物與解析液相互作用，置換出磷酸根，最終實現磷從污泥中的脫離并且成功與吸附劑表面脫附。經解析后的吸附劑進入回收循環系統，實現循環利用(圖2所示為本發明的處理原理圖)。
與現有技術相比，本發明具有如下有益效果：
(1)以MFC反應器降污產電支撐傳送帶運輸，無需外加能源投入。
(2)傳送帶實現附著、脫附一體化。
(3)磁性吸附劑實現循環利用。
