[发明专利]一种自驱动的尿液净化同步氮磷回收装置

说明书

本发明涉及一种自驱动的尿液净化同步氮磷回收装置，属于水处理技术领域。本装置包括阳极、阴极、淡室、浓室等，阳极中的产电微生物可以氧化分解溶液中的有机物，产生电子依次传递到阳极、导线、阴极上，在阴极表面发生电子和电子受体(氧气)的还原反应，实现产电。尿液的有机污染物被阳极的产电微生物降解，尿液的尿素分子被加速水解为氨氮离子，尿液的氮磷物质从淡室迁移到浓室中，浓室中氮磷液得到高浓度的氮磷元素。本发明装置可以在不需要外部能源的条件下，同步实现尿液净化和氮磷回收，减轻了传统水处理工艺的处理负荷、能源消耗，实现资源回收。

技术领域

本发明涉及一种自驱动的尿液净化同步氮磷回收装置，可以同步实现尿液净化、产电、氮磷回收，属于水处理技术领域。

背景技术

尿液贡献了城镇生活污水中约80％的氮和50％的磷，其本身体积却仅占到污水总体积的1％不到。资源危机是如今和未来全人类发展面临的最大挑战之一，氮、磷作为重要的矿产资源，关系到农业、工业生产方方面面，资源危机已迫在眉睫。若能实现尿液中氮磷的回收利用，既解决了水体富营养化等污染问题以应对水资源危机，也有效缓解了氮磷资源危机问题。传统污水或尿液处理工艺，需要曝气、吹脱或添加化学物质等，面临能耗高的问题，且无法实现能源和资源的回收利用。

生物电化学系统可以在净化污水的同时将污水中的化学能转化为电能或有价产品。典型的生物电化学系统如微生物燃料电池，主要由三部分组成：阳极、阴极与中间分隔材料。阳极溶液中的有机物可以被产电微生物氧化分解，同时产生电子和氢离子，电子可以经过外电路传至阴极，氢离子则通过中间分隔材料(如阳离子交换膜)到达阴极，电子和氢离子在阴极可以一起与电子受体(如O₂、Fe³⁺、NO^3-等)发生还原反应，完成闭合回路产生电流。尿液中有机物(以下简称COD)浓度在8000～10000mg/L，蕴含着丰富的化学能，且具有较高的无机盐浓度与一定的缓冲能力，适用于成为生物电化学系统的基质或者处理对象。一方面可以利用微生物燃料电池处理尿液产电，另一方面，尿液中的氮磷离子可以在生物电化学的电场驱动下定向迁移，实现去除和回收。

但是，现有生物电化学系统处理尿液时，无法同时实现尿液净化和氮磷回收，回收氮磷仍需外加能源，普遍存在产能效率低、氮磷回收效果差等问题。

发明内容

本发明的目的是提出一种自驱动的尿液净化同步氮磷回收装置，以便在净化尿液的同时将尿液中的化学能转化为电能，并驱动进行氮磷回收，同步实现尿液净化、产电和氮磷回收。

本发明提出的自驱动的尿液净化同步氮磷回收装置，包括阳极、阴极、多个阳离子交换膜和多个阴离子交换膜，所述的阳极置于本装置一侧的外壳内，所述的阴极置于装置的另一侧，阳极和阴极之间通过外部导线和外部电阻相互连接；多个阳离子交换膜和多个阴离子交换膜相互间隔排列在阳极和阴极之间；所述的阳极的两侧壁设有阳极集电材料，两侧阳极集电材料中间的空腔内设有填料，填料上生长有产电微生物，阳极的底部开有尿液进口，阳极的顶部开有循环液出口；相互间隔排列的多个阳离子交换膜和多个阴离子交换膜之间由阳极到阴极依次形成多个浓室和多个淡室，浓室和淡室相互间隔，每个浓室的底部开有水进口，每个浓室的顶部开有氮磷液出口，所有浓室顶部的氮磷液出口相互连通，成为本装置的氮磷液总出口，每个淡室底部开有循环液进口，每个淡室顶部开有净化后尿液出水口，所有淡室顶部的净化后尿液出水口相互连通，成为本装置的总净化后尿液出水口；所述的阴极与相邻的最后一个阴离子交换膜之间形成阴极腔室，阳极顶部的循环液出口与阴极腔室的进口相连通，阴极腔室的出口与每个淡室底部的循环液进口相连通。

本发明提出的自驱动的尿液净化同步氮磷回收装置，其优点如下：