一种同时回收污水中氮磷的电化学反应装置和方法 |
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| 申请号 | CN202211312061.2 | 申请日 | 2022-10-25 | 公开(公告)号 | CN115676978A | 公开(公告)日 | 2023-02-03 |
| 申请人 | 中国科学院生态环境研究中心; | 发明人 | 赵旭; 郝经纬; 曾华斌; | ||||
| 摘要 | 本 发明 属于 水 处理 领域，提供一种可同时回收污水中氮磷的电化学反应装置和方法。本发明提出了将电化学和天然镁质矿物材料及 活性炭 耦合，建立了电化学‑镁质矿物‑活性炭一体化电化学反应装置，通过电化学原位产生酸 碱 ，实现了无酸碱药剂添加，实现了高效回收污水中氮磷。本发明采用天然镁质矿物作为镁源，采用活性炭作为辅助填料。活性炭可采用正负极切换的方式得到 净化 ，可重复利用。氮磷回收的效率和速率可通过调控 电流 大小和进水流速的快慢实现灵活调控。本发明工艺设备结构简单，操作性强，适用于远郊乡村，高速公路服务区及 风 景旅游区等市政官网有限地区的 废水 处理，可实现自动化水处理和规模化的应用。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种同时回收污水中氮磷的电化学反应装置和方法，其特征在于：阳极电解水产生的氢离子腐蚀镁质矿物，释放出镁离子，阴极产生的氢氧根来给体系增加碱度，一方面废水中的磷酸根，铵根与镁离子在碱性环境下形成鸟粪石沉淀，另一方面铵根在碱性条件下转化为氨分子后被酸溶液吸收，从而实现废水中氮和磷的去除和回收。 |
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| 说明书全文 | 一种同时回收污水中氮磷的电化学反应装置和方法技术领域背景技术[0002] 含有大量氮和磷的污水排放使得水体富营养化，破坏水生态平衡，造成严重的环境问题。目前，各地普遍采用提高污水排放标准或强化污水处理技术进行氮磷排放的控制。氮和磷是作物生长发育的必要元素，氮是组成叶绿素，多种酶和维生素的成分。施加氮肥有利于提高作物产量和改善产品品质。磷是作物体内的核酸，核蛋白，酶的组成成分，施加磷肥能增强作物抗旱抗寒能力，促进作物成熟。传统的Haber‑Bosch合成氨消耗大量的能量，被开采的磷矿大多用于化肥生产，值得注意的是，磷在自然界中的流向呈从陆地向海洋的直流流动形式，属于不可再生不可替代的有限资源。基于可持续发展的需要，从污水中回收氮和磷在污染控制和能源经济上具有双重效益。 [0004] 生物脱氮过程，主要有硝化、反硝化和厌氧氨氧化，生物除磷利用了聚磷菌的代谢特征来去除磷，然而生物法脱氮除磷受水质成分，pH，温度影响较大，反应条件较难维持，还需额外的酸碱和碳源，因此在远郊乡村等市政管线有限地区很难有效运营，且生物法产生的剩余污泥仍需后续处理。吸附是一种有效且快速的去除氮磷的方法，吸附法的关键在于吸附剂的吸附容量，吸附剂的回收和再生，吸附剂的稳定性等，吸附剂长时间浸泡再水中可能造成其结构破坏，可能导致污染物脱附，造成吸附剂和污染物复合污染等问题。化学沉淀法产生的氮磷的沉淀物(如磷酸铁，磷酸亚铁，磷酸铵镁等)通常被认为是有回收价值的资源，但是化学沉淀法需投加钙盐、铝盐及铁盐等沉淀剂，同时还要投加酸碱保证合适的pH环境，药剂的运输，存储，配置，投放每个环节都需细致的管理和操作，而乡村等地区缺少专业的人员进行运营和。电化学技术可以同时处理多种污染物，原位生成化学物质。RuO2‑IrO2/Ti电极与铁粉相结合，可同时去除水溶液中的氨和磷酸盐。纯镁板或镁合金用作牺牲阳极，2+ 阳极的溶解的Mg 作为鸟粪石沉淀的镁源，回收的鸟粪石可作为缓释肥。因此，我们以氮磷资源化回收为导向，开发出适用于远郊乡村等市政官网有限地区废水的氮磷回收与循环利用电化学水处理技术。 发明内容[0005] 发明所解决的技术问题是针对废水中氮磷回收的技术需求，克服现有脱氮除磷技术在氮磷回收中存在镁源成本昂贵，药剂储存运输，设备操作复杂等的不足，提出一种无需酸碱药剂、操作简单、灵活便捷的电化学方法用于氮磷的回收。 [0006] 本发明的技术方案如下： [0007] 为了实现以上目的，本发明采用如下技术方案： [0008] 一种同时回收污水中氮磷的电化学反应装置和方法，技术原理如图1所示，将电化学阴阳极功能,填料性质,氨挥发和磷沉淀机制巧妙结合。通电后，阳极电解水产生的氢离子腐蚀镁质矿物，释放出镁离子，阴极产生的氢氧根来给体系增加碱度，一方面废水中的磷酸根，铵根与镁离子在碱性环境下形成鸟粪石沉淀，另一方面铵根在碱性条件下转化为氨分子被后续酸溶液吸收，从而实现废水中氮和磷的去除和回收。 [0012] 所述污水池1中的污水，通过污水泵7，以设定的速率从电解池底部进水口11进入电解池2，之后从电解池2上方排水口12流出，进入沉淀池9； [0013] 所述沉淀池9上方装有机械搅拌器10； [0014] 所述的电化学反应装置，优选的：菱镁矿颗粒和活性炭填料粒径约为20‑40目，填充体积比为1：1。 [0015] 所述的电化学反应装置和填料，优选的：阴极和阳极区分区填充，镁质矿物和活性炭界面相互接壤，无任何挡板和膜阻隔。 [0016] 述的电化学反应装置的电极，优选的：阴极和阳极均采用钛钌铱电极，电极浸没于填料中。 [0017] 所述的电化学反应装置的电源，优选的：直流电源的正极和负极与电极相连接，并且可以随时切换正负极。 [0018] 所述的电化学反应装置的污水泵，优选的：污水泵的一端连接污水池，一端连接电化学反应的底部，可以随时调整进水流速。 [0019] 所述的电化学反应装置的沉淀池，优选的：污水泵配有机器搅拌器，且搅拌器没入水体的深度及转速可调节。 [0020] 上述过程的关键在于镁质矿物、活性炭、电化学、填充柱的工艺结构组合。镁质矿物包括但不限于菱镁矿、氧化镁、氢氧化镁、蛇纹石和白云石，也可以是它们任意比例的复配。碳材料包括但不限于活性炭、生物炭、碳气凝胶颗粒等，也可以是其他掺杂改性碳材料。电极材料包括但不限于钛钌网，钛锡锑电极，二氧化铅电极等。电极材料的形貌包括但不限于网状，片状，柱状等。立式柱体包括但不限于圆柱体、方柱体，三角柱体等。其它关键工艺参数包括电流密度(电压大小)、反应时间(水力停留时间)、填充率、填充粒径，搅拌速率等。 [0021] 利用上述装置从污水中回收氮磷，包括如下步骤： [0022] 1)将待处理含氮磷污水泵入电解池； [0023] 所述污水泵入速度为1‑3mL/min； [0024] 所述污水pH值为3‑9； [0025] 所述污水中氨氮浓度≤300mg/L； [0026] 所述污水中磷浓度≤62mg/L； [0027] 2)开启直流电源，调节电流密度为0.21‑1.6mA/cm2， [0029] 经上述方法处理，污水中氨氮、总磷的去除率分别可达到80％以上。 [0030] 本发明的技术特点如下： [0031] 1.本发明方法可以通过电化学原位产生酸碱，实现无酸碱药剂添加，高效去除并回收废水中的氮和磷； [0032] 2.本发明方法采用天然镁质矿物作为镁源，储量丰富，低廉易得； [0034] 4.本发明可采用倒极的方式再生活性炭，再生后的活性炭可重复利用； [0036] 图1是本发明技术原理图 [0038] 图中：1‑污水箱，2‑电解池，3‑直流电源，4‑菱镁矿，5‑活性炭，6‑电极，7‑污水泵，8‑导线，9‑沉淀池，10‑搅拌器，11‑进水口，12‑出水口 具体实施方式[0039] 下面将结合具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。 [0040] 实施例1 [0041] 把菱镁矿颗粒和活性炭填料填充进长方体柱中，菱镁矿颗粒和活性炭填料粒级约+ 3‑为20‑40目。废水含140mg/L NH4 ，31mg/L PO4 ，pH 7。阳极和阴极均采用钛钌网。通过污水泵将废水从反应器低端泵入，控制流速为2mL/min，菱镁矿填充区的电极接直流电源的正 2 极，活性炭填充区的电极接直流电源的负极，电流密度为0.83mA/cm 。反应器的出水进入沉淀池，每隔6h从沉淀池取样一次，检测样品中铵根和磷酸根的浓度，连续运行7天，去除结果如表1所示，铵根的去除率为94％，磷酸根的去除率为85％。 [0042] 表1：实施例1的电化学处理结果 [0043] [0044] 实施例2 [0045] 把菱镁矿颗粒和活性炭填料填充进长方体柱中，菱镁矿颗粒和活性炭填料粒级约+ 3‑为20‑40目。废水含140mg/L NH4 ，31mg/L PO4 ，pH 5。阳极和阴极均采用钛钌网。通过污水泵将废水从反应器低端泵入，控制流速为2mL/min，菱镁矿填充区的电极接直流电源的正 2 极，活性炭填充区的电极接直流电源的负极，电流密度为0.83mA/cm 。反应器的出水进入沉淀池，每隔6h从沉淀池取样一次，检测样品中铵根和磷酸根的浓度，连续运行7天，去除结果如表2所示，铵根的去除率为93％，磷酸根的去除率为85.5％。 [0046] 表2：实施例2的电化学处理结果 [0047] [0048] 实施例3 [0049] 把菱镁矿颗粒和活性炭填料填充进长方体柱中，菱镁矿颗粒和活性炭填料粒级约+ 3‑为20‑40目。废水含175mg/L NH4 ，31mg/L PO4 ，pH 7。阳极和阴极均采用钛钌网。通过污水泵将废水从反应器低端泵入，控制流速为2mL/min，菱镁矿填充区的电极接直流电源的正 2 极，活性炭填充区的电极接直流电源的负极，电流密度为1.6mA/cm。反应器的出水进入沉淀池，每隔6h从沉淀池取样一次，检测样品中铵根和磷酸根的浓度，连续运行7天，去除结果如表3所示，铵根的去除率为90％，磷酸根的去除率为89％。 [0050] 表3：实施例3的电化学处理结果 [0051] [0052] 实施例4 [0053] 把菱镁矿颗粒和活性炭填料填充进长方体柱中，菱镁矿颗粒和活性炭填料粒级约+ 3‑为20‑40目。废水含140mg/L NH4 ，15mg/L PO4 ，pH 7。阳极和阴极均采用钛钌网。通过污水泵将废水从反应器低端泵入，控制流速为2mL/min，菱镁矿填充区的电极接直流电源的正 2 极，活性炭填充区的电极接直流电源的负极，电流密度为0.83mA/cm 。反应器的出水进入沉淀池，每隔6h从沉淀池取样一次，检测样品中铵根和磷酸根的浓度，连续运行7天，去除结果如表3所示，铵根的去除率为91％，磷酸根的去除率为83.3％。 [0054] 表4：实施例4的电化学处理结果 [0055] [0056] 实施例5 [0057] 把菱镁矿颗粒和活性炭填料填充进长方体柱中，菱镁矿颗粒和活性炭填料粒级约+ 3‑为20‑40目。废水含140mg/L NH4 ，31mg/L PO4 ，pH 7。阳极和阴极均采用钛钌网。通过污水泵将废水从反应器低端泵入，控制流速为1mL/min，菱镁矿填充区的电极接直流电源的正 2 极，活性炭填充区的电极接直流电源的负极，电流密度为0.83mA/cm 。反应器的出水进入沉淀池，每隔6h从沉淀池取样一次，检测样品中铵根和磷酸根的浓度，连续运行7天，去除结果如表3所示，铵根的去除率为94.1％，磷酸根的去除率为93.3％。 [0058] 表5：实施例5的电化学处理结果 [0059] [0060] 实施例6 [0061] 把菱镁矿颗粒和活性炭填料填充进长方体柱中，菱镁矿颗粒和活性炭填料粒级约为20‑40目。冲洗水含10mM Na2SO4。阳极和阴极均采用钛钌网。菱镁矿填充区的电极接直流电源的负极，活性炭填充区的电极接直流电源的正极。通过污水泵将冲洗水从反应器低端2 泵入，控制流速为5mL/min，电流密度为1.70mA/cm，连续运行7天，可以将在实施例1中被污染的活性炭净化，使得活性炭可以重复利用。 |
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