一种污水处理系统及其污水分阶式净化的处理方法

摘要

本发明提供了一种污水处理系统及其污水分阶式净化的处理方法，涉及污水处理技术领域。本发明通过将人工湿地与生物电化学耦合得到一种全新的污水处理系统，通过微生物燃料电池内的电化学微生物进行新陈代谢，将污水中的有机物的化学能转化为电能，然后通过电极输送给微生物电解池，钛网集中收集电子的特点，提高电子的采集效率，从而提高污水处理的效率，废水中的化学需氧量(COD)、总磷含量(TP)、氨氮(NH4+‑N)、(反硝化)NO3‑‑N去除率可达96.658％、98.089％、86.211％、98.741％，出水效果均优于地表水环境质量标准的Ⅲ类水标准，部分指标达到Ⅰ类水标准。

权利要求

1.一种污水处理系统，其特征在于，包括微生物电解池和微生物燃料电池，所述微生物电解池和所述微生物燃料电池内均填充有沸石层和基质层，所述沸石层位于所述基质层的下方，所述微生物电解池和所述微生物燃料电池的池壁上均开设有进水口和出水口，所述进水口位于与所述沸石层相对的池壁上，所述出水口位于高于所述基质层的池壁上，所述微生物电解池的出水口与所述微生物燃料电池的进水口通过管路连接；

所述微生物电解池和所述微生物燃料电池内均设置有电池装置，所述电池装置包括阴极和阳极，所述微生物电解池的第一阴极和第一阳极均设置在所述基质层中，所述微生物燃料电池的第二阳极设置在所述基质层中，所述微生物燃料电池的第二阴极设置在所述基质层的上方，所述微生物燃料电池的第二阳极包裹于钛网中，所述钛网外覆盖有活性炭层；

所述微生物电解池的阳极与所述微生物燃料电池的阴极通过导电线连接，所述微生物电解池的阴极与所述微生物燃料电池的阳极通过导电线连接；

所述微生物电解池的阳极为铁基电极，阴极为碳基电极；所述微生物燃料电池的阳极为铁基电极，阴极为空气电极；

所述活性炭层包括活性炭颗粒和不锈钢网，所述钛网收容于所述不锈钢网内，所述不锈钢网与所述钛网之间的空间填充有所述活性炭颗粒，所述活性炭颗粒的粒径为4.5‑

5.7mm；

所述沸石层的沸石粒径为3.4‑7.3cm。

2.如权利要求1所述的污水处理系统，其特征在于，所述阳极和所述阴极均水平设置，所述阳极和所述阴极的距离为15.5‑18.7cm。

3.如权利要求1所述的污水处理系统，其特征在于，所述基质层上种植有可净化水体的植物。

说明书

一种污水处理系统及其污水分阶式净化的处理方法

技术领域

[0001] 本发明涉及污水处理技术领域，特别涉及一种污水处理系统及其污水分阶式净化的处理方法。

背景技术

[0002] 人工湿地是由人工建造和控制运行的与沼泽地类似的地面，将污水、污泥有控制的投配到经人工建造的湿地上，污水与污泥在沿一定方向流动的过程中，主要利用土壤、人工介质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用，对污水、污泥进行处理的一种技术。其作用机理包括吸附、滞留、过滤、氧化还原、沉淀、微生物分解、转化、植物遮蔽、残留物积累、蒸腾水分和养分吸收及各类动物的作用。目前已广泛应用于污水处理与资源化管理应用中，但传统的人工湿地污水处理能力有限，难以满足城市污水处理对各种有机废物的要求。

发明内容

[0003] 为解决上述现有技术中存在的问题，本发明的主要目的是提供一种污水处理系统及其污水分阶式净化的处理方法。

[0004] 为实现上述目的，第一方面，本发明提出了一种污水处理系统，包括微生物电解池和微生物燃料电池，所述微生物电解池和所述微生物燃料电池内均填充有沸石层和基质层，所述沸石层位于所述基质层的上方，所述微生物电解池和所述微生物燃料电池的池壁上均开设有进水口和出水口，所述进水口位于与所述沸石层相对的池壁上，所述出水口位于高于所述基质层的池壁上，所述微生物电解池的出水口与所述微生物燃料电池的进水口通过管路连接；

[0005] 所述微生物电解池和所述微生物燃料电池内均设置有电池装置，所述电池装置包括阴极和阳极，所述微生物电解池的阴极和阳极均设置在所述基质层中，所述微生物燃料电池的阳极设置在所述基质层中，所述微生物燃料电池的阴极设置在所述基质层的上方，所述微生物燃料电池的阳极包裹于钛网中，所述钛网外覆盖有活性炭层；所述微生物电解池的阳极与所述微生物燃料电池的阴极通过导电线连接，所述微生物电解池的阴极与所述微生物燃料电池的阳极通过导电线连接。

[0006] 利用本发明技术方案所提供的污水处理系统用于污水处理，向微生物燃料电池内投放电化学微生物后，微生物燃料电池内的电化学微生物进行新陈代谢，将污水中的有机物的化学能转化为电能，并通过电极输送给微生物电解池；微生物电解池接收微生物燃料电池输送的电能，在池内发生电解反应，以去除污水中的磷、分解污水中的有机污染物，从而实现污水的脱氮。

[0007] 利用本发明技术方案所提供的污水处理系统用于污水处理，废水中的化学需氧量4+ 3‑
(COD)、总磷含量(TP)、氨氮(NH ‑N)、(反硝化)NO ‑N去除率可达96.658％、98.089％、
86.211％、98.741％，出水效果均优于《地表水环境质量标准》GB3838‑2002的Ⅲ类水标准，部分指标达到Ⅰ类水标准。

[0008] 作为本发明所述污水处理系统的优选实施方式，所述微生物电解池的阳极为铁基电极，阴极为碳基电极；所述微生物燃料电池的阳极为铁基电极，阴极为空气电极。

[0009] 作为本发明所述污水处理系统的优选实施方式，所述阳极和所述阴极均水平设置，所述阳极和所述阴极的距离为15.5‑18.7cm。

[0010] 作为本发明所述污水处理系统的优选实施方式，所述基质层上种植有可净化水体的植物。

[0011] 本发明技术方案中，微生物燃料电池和微生物电解池的基质层上种植的植物可吸收污水体中的有害物质。

[0012] 作为本发明所述污水处理系统的优选实施方式，所述沸石层的沸石粒径为3.4‑7.3cm。

[0013] 作为本发明所述污水处理系统的优选实施方式，所述活性炭层包括活性炭颗粒和不锈钢网，所述钛网收容于所述不锈钢网内，所述不锈钢网与所述钛网之间的空间填充有所述活性炭颗粒。

[0014] 作为本发明所述污水处理系统的优选实施方式，所述活性炭颗粒的粒径为4.5‑5.7mm。

[0015] 第二方面，本发明还提出一种污水分阶式净化的处理方法，包括以下步骤：通过微生物电解池的进水口充入生活污水后，向微生物燃料电池内加入电化学微生物，系统自动启动净化处理。

[0016] 本发明技术方案中，利用污水处理系统，向微生物燃料电池内投放电化学微生物后，微生物燃料电池内的电化学微生物进行新陈代谢，将污水中的有机物的化学能转化为电能，并通过电极输送给微生物电解池；

[0017] 微生物电解池接收微生物燃料电池输送的电能，在池内发生电解反应，电解反应中会产生二价铁离子和三价铁离子，以去除污水中的磷；同时，微生物电解池内也进行着氧化分解反应以及反硝化反应，其中氧化分解反应是通过微生物燃料电池输送的电能，使微生物电解池内的阴阳极产生电势差，进而促进电化学活性菌氧化分解污水中的有机污染物；反硝化反应是将电解反应析出的二价铁离子作为电子供体，污水中的硝酸盐为电子受体，进行铁型自养反硝化，从而实现污水的脱氮。

[0018] 作为本发明所述水质净化处理方法的优选实施方式，所述电化学微生物的制备方法包括以下步骤：

[0019] 1、准备储水箱、反应器以及蠕动泵，将储水箱的出水口通过蠕动泵与微生物电解池进水口相连通，微生物燃料电池的出水口与储水箱的进水口相连通，储水箱又通过管路与反应器相连通；

[0020] 2、将厌氧污泥以及人工废水通入储水箱进行搅拌混合，混合后通过蠕动泵输送至微生物电解池和微生物燃料电池内，使得水箱和水池内的水循环流动，流入储水箱内的水又进出反应器，以加快电化学微生物的富集和缩短驯化时间；

[0021] 3、按周期观测记录电压值，并取微生物燃料电池出水口的水样进行水质指标分析，当电压稳定且各装置污染物的去除率稳定时，所得污泥即可作为所述电化学微生物。

[0022] 相对于现有技术，本发明的有益效果为：

[0023] 本发明技术方案通过将人工湿地与生物电化学耦合得到一种全新的污水处理系统，通过设计沸石层，沸石层中的沸石有助于脱除废水中的污染物，同时钛网集中收集电子的特点，提高电子的采集效率，从而提高污水处理的效率，废水中的化学需氧量(COD)、总磷4+ 3‑
含量(TP)、氨氮(NH ‑N)、(反硝化)NO ‑N去除率可达96.658％、98.089％、86.211％、
98.741％，使得出水效果满足环境质量标准。

附图说明

[0024] 图1为本发明污水分阶式净化的处理方法的流程图；

[0025] 图2为本发明污水处理系统的结构示意图；

[0026] 图3为本发明第二阳极的结构示意图；

[0027] 图4为本发明污水处理系统的俯视结构示意图；

[0028] 附图说明：1、电解池进水口；2、第一阳极；3、第一阴极；4、湿地液面；5、沸石层；6、基质层；7、电解池出水口；8、燃料电池进水口；9、导电线；10、植物；11、第二阴极；12、燃料电池出水口；13、第二阳极；14、微生物电解池；15、微生物燃料电池；16、钛网；17、活性炭层；18、不锈钢网；19、活性炭颗粒。

具体实施方式

[0029] 为更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将通过具体实施例对本发明作进一步说明。

[0030] 实施例1

[0031] 本实施例的污水处理系统如图1、2所示，包括微生物电解池和微生物燃料电池，微生物电解池和微生物燃料电池内均填充有沸石层和基质层，沸石层位于基质层的上方，基质层上种植有可净化水体的植物；微生物电解池和微生物燃料电池的池壁上均开设有进水口和出水口，进水口位于与沸石层相对的池壁上，出水口位于高于基质层的池壁上，微生物电解池的出水口与微生物燃料电池的进水口通过管路连接；

[0032] 微生物电解池和微生物燃料电池内均设置有电池装置，电池装置包括阴极和阳极，微生物电解池的第一阴极和第一阳极均设置在基质层中，微生物燃料电池的第二阳极设置在基质层中，微生物燃料电池的第二阴极设置在基质层的上方，所述微生物燃料电池的第二阳极包裹于钛网中，所述钛网外覆盖有活性炭层，活性炭层对污水；微生物电解池的第一阳极与微生物燃料电池的阴极通过导电线连接，微生物电解池的阴极与微生物燃料电池的第一阳极通过导电线连接；

[0033] 其中，上述阳极和阴极均水平设置，阳极和阴极的距离为15.5‑18.7cm；微生物电解池的第一阳极为铁基电极，第一阴极为碳基电极；微生物燃料电池的第二阳极为铁基电极，第二阴极为空气电极；

[0034] 沸石层的沸石粒径为3.4‑7.3cm沸石有助于废水、废液中金属离子的脱除或回收，脱除废水中的放射性污染物。

[0035] 实施例2

[0036] 本实施例采用下述方法制备电化学微生物，具体步骤为：

[0037] S1、准备储水箱、反应器以及蠕动泵，将储水箱的出水口通过蠕动泵与微生物电解池进水口相连通，微生物燃料电池的出水口与储水箱的进水口相连通，储水箱又通过管路与反应器相连通；

[0038] S2、将厌氧污泥以及人工废水通入储水箱进行搅拌混合，混合后通过蠕动泵输送至微生物电解池和微生物燃料电池内，使得水箱和水池内的水循环流动，流入储水箱内的水又进出反应器，以加快电化学微生物的富集和缩短驯化时间；

[0039] S3、按周期观测记录电压值，并取微生物燃料电池出水口的水样进行水质指标分析，当电压稳定且各装置污染物的去除率稳定时，所得污泥即可作为所述电化学微生物。

[0040] 实施例3

[0041] 结合实施例1污水处理系统和实施例2的电化学微生物，本实施例的水质净化处理方法包括以下步骤：通过微生物电解池的进水口充入生活污水后，向微生物燃料电池内加入电化学微生物，系统自动启动净化处理；

[0042] 水质净化的机理为：微生物电解池和微生物燃料电池内的植物吸收污水水体中的有害物质，同时，微生物燃料电池内的电化学微生物进行新陈代谢，可以将污水中的有机物的化学能转化为电能，然后通过电极输送给微生物电解池；

[0043] 微生物燃料电池的产电原理是：通过在低电势的微生物燃料电池的第二阳极有机物在阳极附近富集的微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和微生物燃料电池的第二阳极之间进行有效的传递，然后通过导电线传输给微生物电解池的第一阴极行成电流；

[0044] 微生物电解池接收微生物燃料电池输送的电能，在池内发生电解反应，电解反应使得磁黄铁矿基质析出二价铁离子和三价铁离子，二价铁离子与废水中的磷酸根反应生成可回收的蓝铁矿，以去除污水中的磷；同时，微生物电解池内也进行着氧化分解反应以及反硝化反应，其中氧化分解反应是通过微生物燃料电池输送的电能，使微生物电解池内的阴阳极产生电势差，进而促进电化学活性菌氧化分解污水中的有机污染物；反硝化反应是将电解反应析出的二价铁离子作为电子供体，污水中的硝酸盐为电子受体，进行铁型自养反硝化，生成三价铁及NO，从而实现污水的脱氮；

[0045] 经微生物电解池除磷、脱氮以及部分有机污染后的污水从微生物电解池的电解池出水口排出，流入到微生物燃料电池内，微生物燃料电池将流入的污水中剩余的COD作为碳源产生电子，在产电的同时去除剩余有机污染物。

[0046] 实施例4

[0047] 结合实施例1的污水处理系统和实施例2的电化学微生物，以及实施例3的水质净化的机理、微生物燃料电池的产电原理；结合图2、3、4所示，污水经过微生物燃料电池的第二阳极外的活性炭层，活性炭层中不锈钢网中粒径为4.5‑5.7mm的活性炭颗粒吸附截留较大的悬浮颗粒，采用不锈钢网包裹活性炭填料，利用电场作用改变污染物在人工湿地内的积累分布情况，对活性炭颗粒填料用量起到保护作用。

[0048] 然后通过钛网到达第二阳极，第二阳极处的发电微生物主要降解可溶性有机物，产生电子和质子。本专利利用钛网集中收集电子的特点，提高电子的采集效率，电子通过外电路传输到第一阴极，到达第一阴极的质子与电子和氧结合形成水，完成阴极还原反应。27天后最大电压550mV出现，污水处理系统能稳定运行，形成发电生物膜，成功启动污水处理系统。

[0049] 采用本实施例的方法对污水进行处理，废水中的化学需氧量(COD)、总磷含量(TP)、氨氮(NH4+‑N)、(反硝化)NO3‑‑N去除率可达96.658％、98.089％、86.211％、98.741％，出水效果均优于《地表水环境质量标准》GB3838‑2002的Ⅲ类水标准，部分指标达到Ⅰ类水标准。

[0050] 最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。