公布日：2023.02.03
申请日：2022.10.25
分类号：C02F1/461(2006.01)I;C02F1/52(2006.01)I;C01B25/45(2006.01)I;C05B7/00(2006.01)I;C02F101/16(2006.01)N;C02F101/10(2006.01)N
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。
权利要求书
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。
2.按照权利要求1所述的电化学反应器，包括污水池(1)，电解池(2)、直流电源(3)和沉淀池(9)；其特征在于：所述电解池(2)中阳极室和阴极室分别填充镁质矿物(4)和活性炭(5)，将两个电极(6)分别插入镁质矿物(4)和活性炭(5)中；所述直流电源(3)为电化学系统供电，直流电源(3)通过导线(8)与电解槽(2)中的电极(6)相连接；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)；所述沉淀池(9)上方装有机械搅拌器(10)。
3.根据权利要求2所述的电化学反应装置，其特征在于：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。
4.根据权利要求2所述的电化学反应装置和填料，其特征在于：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。
5.根据权利要求2所述的电化学反应装置的电极，其特征在于：阴极和阳极均采用相同的电极，包括但不限于钛钌铱电极，电极浸没于填料中。
6.根据权利要求2所述的电化学反应装置的电源，其特征在于：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。
7.根据权利要求2所述的电化学反应装置的污水泵，其特征在于：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。
8.根据权利要求2所述的电化学反应装置的沉淀池，其特征在于：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。
发明内容
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。
本发明的技术方案如下：
为了实现以上目的，本发明采用如下技术方案：
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。
所述装置如图2所示，包括污水池1，电解池2、直流电源3和沉淀池9；
所述电解池2中阳极室和阴极室分别填充镁质矿物4和活性炭5，镁质矿物和活性炭界面相互接壤，无任何挡板和膜阻隔，将两个电极6分别插入镁质矿物4和活性炭5中；
所述直流电源3为电化学系统供电，直流电源3通过导线8与电解槽2中的电极6相连接；
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；
所述沉淀池9上方装有机械搅拌器10；
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
利用上述装置从污水中回收氮磷，包括如下步骤：
1)将待处理含氮磷污水泵入电解池；
所述污水泵入速度为1-3mL/min；
所述污水pH值为3-9；
所述污水中氨氮浓度≤300mg/L；
所述污水中磷浓度≤62mg/L；
2)开启直流电源，调节电流密度为0.21-1.6mA/cm2，
3)电解池出水进入沉淀池，缓慢搅拌生成鸟粪石沉淀，收集固体，自然风干可用作肥料；
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。
本发明的技术特点如下：
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；
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；
3.本发明通过控制直流电源和蠕动泵的参数来控制氮磷的回收效率和速率；
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；
5.本发明方法形成的鸟粪石易于回收并可以用作农作物的化肥，具有一定的经济价值。
（发明人：赵旭;郝经纬;曾华斌）