用于回收废水氮磷的装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种用于回收废水氮磷的装置及方法，其中装置主要包括双室反应器、质子交换膜、曝气管、曝气泵、恒流电源、阳极含镁电极板、阴极惰性电极板、搅拌机、pH计、计算机、排水泵、氨吹脱池、氨吸收装置、氨氮在线测试装置、密封垫圈、夹持装置和排水管。利用该装置回收废水氮磷的方法是利用镁阳极电化学反应，提供阳极室磷酸铵镁结晶所需的镁源和pH条件，并结合质子交换膜，克服阴极室pH提升干扰阳极室磷酸铵镁结晶过程，氨吹脱池和氨吸收装置充分利用电化学反应过后的阴阳极室水体混合液高pH碱性条件回收废水剩余氨氮，从而实现高氮磷比废水(NH4+?N:PO43??P摩尔比大于1:1)氮磷回收效率最大化。
【专利说明】
用于回收废水氮磷的装置
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种用于废水处理的装置，尤其涉及一种用于回收废水氮磷的装置，结合了废水电化学沉淀与氨吹脱的两种工艺，属于废水化学处理领域。
【背景技术】
[0002]氮磷是废水中常见污染物，也是水体富营养化的直接诱因，废水排放之前需要脱氮除磷处理。然而，氮磷是植物生长所需营养元素，而且磷矿资源在全球范围内日渐缺少，回收废水氮磷在水污染控制、资源循环利用等方面具有重要的实际意义。目前废水氮磷回收的方法，以化学法为主，按照功能主要分为:(I)单独回收氮或磷的方法，如氨吹脱与吸收液吸收的方法回收废水氨氮，投加钙盐或铁盐通过磷酸钙、磷酸铁等结晶沉淀回收废水磷；
[2]同时回收氮磷的方法，如投加镁盐，促进废水铵根、磷酸根和镁离子形成磷酸铵镁结晶沉淀的方法。就污染物去除及氮磷资源回收的功能而言，磷酸铵镁结晶沉淀法可同时回收氮磷元素，更具有优势。另外，磷酸铵镁结晶沉淀，可以作缓释肥料使用，利用价值较高。
[0003]目前，废水磷酸铵镁结晶沉淀的方法一般通过添加氯化镁等含镁化合物，即镁盐，同时采用添加碱性溶液如氢氧化钠溶液或者曝气吹脱废水中溶解的二氧化碳方式提升废水PH，促进废水铵根离子、磷酸根离子与镁离子结合形成磷酸铵镁结晶沉淀。这种方法的问题主要有:(I)投加镁盐溶液、碱性溶液不仅增加废水体积，而且向废水中引入原来没有的氯离子、钠离子等，造成新的二次污染；(2)曝气吹脱废水中溶解的二氧化碳，常因废水pH缓冲能力较高，废水PH上升幅度不明显；(3)对于氮磷摩尔比大于磷酸铵镁晶体构晶氨磷离子摩尔比1:1的废水，如猪场废水，经磷酸铵镁结晶处理后，废水氨氮(NH/-N)有剩余还需后续单元处理。
[0004]电化学法处理废水避免了化学物质的直接投加、反应速度快，而且电场作用和气浮作用强化了废水混合效率，发展前景广阔。目前，电化学法一般以牺牲铝、铁阳极回收废水磷为主，关于利用电化学法同时回收氮磷的文献鲜有报导。
【实用新型内容】
[0005]本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提供一种用于回收废水氮磷的装置和方法，以克服传统直接用牺牲镁阳极电化学法回收废水氮磷过程中，阴极室PH上升干扰阳极室磷酸根离子、镁离子与铵根离子结合形成磷酸铵镁结晶；牺牲镁阳极电解氮磷摩尔比(ΝΗ4+-Ν:Ρ043—-P)>1:1废水形成磷酸铵镁结晶后氨氮有剩余的问题。
[0006]本实用新型的装置包括双室反应器，质子交换膜，曝气管，曝气栗，恒流电源，含镁电极板，惰性电极板，搅拌机，PH计，计算机，排水栗，氨吹脱池，氨吸收装置，氨氮在线测试装置，密封垫圈，夹持装置，长方形孔，进水口，出水口和排水管。
[0007]双室反应器由侧壁相贴的阳极室和阴极室构成，二者的接触侧壁壁面大小相同，中部开有长方形孔，该接触侧壁间通过夹持装置夹装质子交换膜，质子交换膜两侧与阳极室和阴极室接触处设置密封垫圈，从而将阳极室与阴极室中的水体隔开，防止两极室水体泄露。阳极室与阴极室均开有出水口和进水口，阴极室和阳极室内的废水可经过出水口、排水管及排水栗排入氨吹脱池;搅拌机的搅拌桨浸没在阳极室的水体中，PH计探头浸没在阳极室水体中，含镁电极板置于阳极室水体中，与恒流电源的正极相连作为阳极板，惰性电极板放入阴极室水体中，与恒流电源的负极相连作为阴极板;曝气管一端连接曝气栗，另一端通在氨吹脱池中；氨吹脱池中置有氨氮在线测试装置，吹脱出的含氨气体通入氨吸收装置，计算机与曝气栗、恒流电源、搅拌机、PH计、排水栗、氨氮在线测试装置分别相连。
[0008]上述技术方案中，所述的夹持装置夹装质子交换膜的方式是通过法兰螺栓，或法兰U型夹依次夹装阳极室侧壁及该侧密封垫圈、质子交换膜、另一密封垫圈及阴极室侧壁。
[0009]所述的长方形孔的各边长为阳极室与阴极室接触侧壁壁面对应边长的0.65?
0.85 倍。
[0010]所述的密封垫圈的外圈边长为阳极室与阴极室接触侧壁壁面对应边长的I?1.2倍，密封垫圈的内圈边长为阳极室与阴极室接触侧壁壁面上长方形孔对应边长的I?1.2倍。
[0011 ]所述的质子交换膜为长方形，其边长为密封垫圈内圈对应边长的1.1?1.2倍。
[0012]所述的含镁电极板中镁质量百分数达95%及以上。
[0013]利用上述装置进行废水氮磷回收的方法是:将需要处理的废水输入阳极室和阴极室中，保持阴阳两极室内液面平齐，调整阴极板与阳极板间的极间距至设定值，打开搅拌机使阳极室内的水体混合均匀，打开恒流电源，开始电解。pH计实时监测阳极室内水体pH并反馈至计算机，当PH计监测的数值达到设定值时或反应时间达到设定值时，计算机控制关闭恒流电源和搅拌机，开启排水栗，废水排入氨吹脱池，打开曝气栗，在氨吹脱池内曝气，氨吹脱池吹脱出的含氨气体通入氨吸收装置后排放，氨氮在线测试装置实时测试氨吹脱池内废水氨氮浓度并反馈给计算机，当氨氮浓度变化幅度低于10%时或反应时间达到设定值时，计算机控制关闭曝气栗，废水中结晶沉淀回收、氨吹脱池排空后，双室反应器再次进水。打开搅拌机和恒流电源，重复上述后续步骤进行新一轮的废水氮磷回收，根据氨吸收装置氨吸收饱和情况，定期更换氨吸收剂或吸收液。
[0014]上述方案中，所述的电解时电流密度范围在14.3A/V?142.9A/V之间；所述的电极板极间距为3?6 cm ο
[0015]本实用新型的有益效果如下:
[0016]1.含镁电极板作阳极，惰性电极板作阴极，通过电解以磷酸铵镁形式回收废水氮磷，阴阳两极有0H—产生，阴极与阳极附近液体有流动交换，反应液中pH上升较快，pH超过1时，阳极室最终形成磷酸镁结晶沉淀，而不是磷酸铵镁结晶沉淀。本实用新型采用了质子交换膜隔绝阳极与阴极附近水体交换，即形成阳极与阴极两室，质子交换膜阻碍阴极室0H—向阳极室移动，克服阴极室PH上升对阳极室磷酸铵镁结晶过程的干扰，有利于阳极室pH控制，进而提高阳极室沉淀物中磷酸铵镁结晶物纯度。同时，可节约后续回调双室反应器电解处理出水高pH值所需成本。
[0017]2.本实用新型采用牺牲镁阳极电化学方法和氨吹脱的组合工艺，利用镁阳极电解反应及电解产物与水的反应，产生镁离子和0H—，促进阳极室内的磷酸根、镁离子及铵根离子朝结晶化学反应方向移动，发生磷酸铵镁结晶沉淀反应。同时，由于牺牲镁阳极电化学反应水体的pH值有提升，水中氨氮主要以游离氨形式存在，为后续氨吹脱回收氨氮提供条件。
[0018]3.本实用新型提供的牺牲镁阳极电化学和氨吹脱组合工艺能将废水中的营养物质转化为有附加产值的化学产品，如磷酸铵镁(牺牲镁阳极回收的化学品)，氨吸收装置产生的含氮产品，从而补偿装置运行费用，有利于整套装置运行成本控制。
【附图说明】
[0019]图1是本实用新型提供的用于回收废水氮磷装置的结构示意图；
[0020]图2是夹持装置、密封垫圈和质子交换膜局部放大图。
[0021 ]其中:1-双室反应器;2-质子交换膜;3-曝气管;4-曝气栗;5-恒流电源;6_阳极含儀电极板;阴极惰性电极板;8-揽摔机;9-pH计；10-计算机;11-排水栗；12-氨吹脱池；13-氨吸收装置；14-氨氮在线测试装置；15-密封垫圈；16夹持装置；17-长方形孔；18-进水口 ；19-出水口； 20-排水管。
【具体实施方式】
[0022]如附图所示，本实用新型的装置包括双室反应器I，质子交换膜2，曝气管3，曝气栗4，恒流电源5，阳极含镁电极板6，阴极惰性电极板7，搅拌机8，pH计9，计算机10，排水栗11，氨吹脱池12，氨吸收装置13，氨氮在线测试装置14，密封垫圈15，夹持装置16;长方形孔17，进水口 18，出水口 19，排水管20。
[0023]所述的双室反应器I由侧壁相贴的阳极室和阴极室构成，二者的接触侧壁壁面长宽相同，中部开有长方形孔17，该长方形孔各边长为阳极室与阴极室接触侧壁壁面对应边长的0.65?0.85倍，阴极室和阳极室二者接触侧壁间通过夹持装置16夹装质子交换膜2，质子交换膜两侧与阳极室和阴极室接触处设置密封垫圈15，阳极室和阴极室中的水体相隔，且无水体泄露，同时也避免阴极室反应提升的PH影响到阳极室反应的pH条件。阳极室与阴极室均开有出水口 19和进水口 18，阴极室和阳极室的废水可通过出水口 19、排水管20及排水栗11排入氨吹脱池12。搅拌机8的搅拌桨浸没在阳极室的水体中，pH计9探头浸没在阳极室水体中，含镁电极板6置于阳极室水体中，与恒流电源5的正极相连作为阳极板，惰性电极板7放入阴极室水体中，与恒流电源5的负极相连作为阴极板，通电情况下，镁板上的镁原子失去电子变成镁离子溶解到水体中，同时Mg+与H2O反应生成0H—，为磷酸铵镁结晶反应提供所需的镁源和碱性环境;曝气管3—端连接曝气栗4，另一端通在氨吹脱池12中；计算机10与曝气栗4、恒流电源5、搅拌机8、pH计9、排水栗11、氨氮在线测试装置13分别相连，主要根据PH及氨氮监测数据控制曝气栗4、恒流电源5、搅拌机8和排水栗11的启停。
[0024]阳极室和阴极室接触处为法兰结构，夹持装置夹装质子膜的方式是通过法兰螺栓，或法兰U型夹依次夹装阳极室、密封垫圈、质子膜、密封垫圈和阴极室；密封垫圈的外圈边长为阳极室与阴极室接触侧壁对应边长的I?1.2倍，密封垫圈的内圈边长为阳极室与阴极室接触面上长方形孔对应边长的I?1.2倍，质子交换膜为长方形，其边长为密封垫圈内圈对应边长的1.1?1.2倍，使阳极室和阴极室之间仅存在离子选择性透过，但无水体交换、无水体泄漏，有效维持阳极室磷酸铵镁结晶所需PH条件。阳极含镁电极板中镁质量百分数达95%及以上。
[0025]本装置的最大特征在于交换膜将阳极室与阴极室中的水体相隔，且无水体泄露，阴阳两极室之间仅存选择性离子透过，利于控制阳极室水体PH缓慢上升，利于磷酸铵镁结晶反应进行;氨吹脱池和氨吸收池充分回收双室反应器电解处理得到碱性出水中氨氮，强化废水氮磷回收效率，具体工作原理如下:
[0026]双室反应器电解过程中可以持续的电解产生Mg+或Mg2+离子，与废水中的P043—或者P043—和NH4+分别反应产生磷酸镁或磷酸氨镁沉淀。其主要化学反应如下式所示:
[0027]阳极(镁板):Mg-e—=Mg+(I)
[0028]Mg++H20=Mg2++l/2H2+0H— (2)
[0029]或者Mg_2e—=Mg2+ (3)
[0030]阴极(惰性电极):02+4e—+2H20= 40H— (4)
[0031]或者2H++2e—= H2 (5)
[0032]废水中:
[0033]3Mg2++2HnP043—n+22H20=Mg3(P04)2.22H20+2nH+ (6)
[0034]或Mg2++NH4++HnP043—n+6H20=MgNH4P04.6H20+nH+ (7)
[0035]由式(2)和(4)可知，电化学反应过程中阴阳两极均有OH—产生，在无本实用新型中采用的质子交换膜条件下，势必造成反应过程中废水PH激增。pH大于10时，在含Mg2+、NH4+和P043—的反应体系中，化学反应以式(6)为主，结晶沉淀主要是磷酸镁;pH在7.5到10之间时，在含Mg2+、NH4+和P043—的反应体系中，化学反应以式(7)为主，结晶为磷酸铵镁。为此，控制反应体系中PH是获得磷酸铵镁而不是磷酸镁结晶的关键。
[0036]本实用新型中，采用了质子交换膜隔绝阳极室与阴极室之间的水体交换的方法，阻止阴极室0H—向阳极室移动，减缓阴极室pH上升对阳极室磷酸铵镁结晶过程的干扰，有利于阳极室PH控制，进而提高阳极室沉淀物中磷酸铵镁结晶物纯度。另外，在双室反应器中废水电解后PH升高，即发生碱化，废水中残留的氨氮多以游离氨存在，通过氨吹脱可进一步提高废水氮回收效率。
[0037]回收废水氮磷的方法是将需要处理的废水输入阳极室和阴极室中，保持阴阳两极室内液面平齐，调整阴极板与阳极板间的极间距至设定值，打开搅拌机使阳极室内的水体混合均匀，打开恒流电源，调节电流值，达到预先设定电流密度，开始电解，PH计实时监测阳极室内水体PH并反馈至计算机，当pH计监测的数值达到设定值时或反应时间达到设定值时，计算机控制控制器关闭恒流电源和搅拌机，开启排水栗，双室反应器中废水排入氨吹脱池，打开曝气栗，在氨吹脱池内曝气，氨吹脱池吹脱出的含氨气体通入氨吸收装置后排放，氨氮在线测试装置实时测试氨吹脱池内废水氨氮浓度并反馈给计算机，当氨氮浓度变化幅度低于10%时或反应时间达到设定值时，计算机控制控制器关闭曝气栗，废水中结晶沉淀物回收、氨吹脱池排空后，双室反应器再次进水，打开搅拌机和恒流电源，重复上述后续步骤进行新一轮的废水氮磷回收。根据氨吸收装置氨吸收饱和情况，定期更换氨吸收剂或吸收液。电解时电流密度范围在14.3A/m2?142.9A/V之间；电极板极间距为3?6cm。
[0038]下面结合附图和实例对本实用新型进行进一步说明:
[0039]实施例1:
[0040]参照图1，双室反应器由接触侧壁相贴、接触侧壁壁面大小相同的立方体阳极室(8X 8 X 8cm3)和阴极室(8 X 8 X 8cm3)组成，阳极室和阴极室接触侧壁上对应开有长方形孔，二者接触侧壁间通过法兰螺栓结构依次夹装阳极室、塑料密封垫圈、质子交换膜、另一塑料密封垫圈和阴极室，避免水体泄露和水体交换。试验利用上述双室反应器处理模拟废水(2mmol/L NH4+,2mmol/L PO43—)前，向模拟废水加入lmol/L NaOH溶液调节模拟废水初始pH为7.0，利用NaCl调节溶液初始的电导率为lOmS/cm。随后向双室反应器各室注入需要处理的模拟废水各500mL，并保持水面平齐。将镁板(AZ91D)放入其中一个室内，随后连接电源正极作为牺牲阳极，镁板所处室称为阳极室。将不锈钢板放入另一个室内，随后与电源负极连接作为阴极。同时调整两电极板的位置至设定的极间距4cm，并将pH计探头和搅拌机的搅拌叶片浸没在阳极室中。启动搅拌器，转速约为150r/min，使阳极室内的水体混合均匀，并打开恒流电源，调节电流至设定值0.1A(电流密度为28.6A/V)，开始电解。试验持续1.5h，试验每隔15m i η对阳极水体进行pH测量。
[0041]上述镁阳极双室反应器电解模拟废水结果表明，有质子交换膜的双室反应器电解废水60min，阳极室水体pH从7.0上升至9.0。
[0042]拆除上述镁阳极双室反应器中质子交换膜后电解同种模拟废水，结果表明，无膜的镁阳极双室反应器电解废水60min，阳极室水体pH从7.0上升至10.2。
[0043]因此，质子交换膜能有效的延缓阳极室pH的上升。
[0044]实施例2:
[0045]参照图1，双室反应器由接触侧壁相贴、接触侧壁壁面大小相同的立方体阳极室(8X 8 X 8cm3)和阴极室(8 X 8 X 8cm3)组成，阳极室和阴极室接触侧壁上对应开有长方形孔，二者接触侧壁间通过法兰螺栓结构依次夹装阳极室、塑料密封垫圈、质子交换膜、另一塑料密封垫圈和阴极室，避免水体泄露和水体交换。向阳极室和阴极室分别输入500mL猪场沼液上清液，并保持两个极室内水面高度平齐。同时，将搅拌机搅拌桨和PH计探头浸没在阳极室的水体中。将含镁电极板(AZ91D)放入阳极室，惰性电极板(不锈钢)放入阴极室。通过导线将恒定电源正极连接镁电极板，负极连接惰性电极板。根据设定极间距(4cm)固定电极板位置。启动搅拌机，使阳极室内的水体混合均匀，并打开恒流电源，调节电流至0.10A(电流密度为28.6A/V)，开始电解。将曝气管一端与曝气栗连接，另一端浸没在氨吹脱池中。根据pH计反馈的数值，控制曝气栗、搅拌机与恒流电源的开关。当pH计的数值达到设定值(pH = 9)时，关闭恒流电源，停止搅拌机，阴阳两极室排水，排水通过排水管和排水栗排入氨氮吹脱池，打开曝气栗在氨吹脱池曝气。氨吹脱池曝气2h后，关闭曝气栗。曝气结束后，氨吹脱池内废水静置30min，随后过滤收集沉淀。电解过程中，每隔15分钟收集6mL的样品，进行氨氮和磷的含量测定，并对沉淀进行XRD测定。
[0046]试验结果表明，双室反应器电解过程中猪场沼液磷去除率为75.73% (以质量浓度计算)，氨氮去除率为34.69% (以质量浓度计算)。曝气2h后，氨氮去除率提高32% 3RD结果表明，电解获得沉淀物主要成分为磷酸铵镁(MgNH4PO4.6H20)，沉淀物中还含有部分碳酸钙。
【主权项】
1.一种用于回收废水氮磷的装置，其特征在于，包括双室反应器(I)，质子交换膜(2)，曝气管(3)，曝气栗(4)，恒流电源(5)，含镁电极板(6)，惰性电极板(7)，搅拌机(8)，pH计(9)，计算机(10)，排水栗(11)，氨吹脱池(12)，氨吸收装置(13)，氨氮在线测试装置(14)，密封垫圈(15)，夹持装置(16)，长方形孔(17)，进水口(18)，出水口(19)和排水管(20); 所述的双室反应器(I)由侧壁相贴的阳极室和阴极室构成，二者的接触侧壁壁面大小相同，中部开有长方形孔(17)，该接触侧壁间通过夹持装置(16)夹装质子交换膜(2)，质子交换膜(2)两侧与阳极室和阴极室接触处设置密封垫圈(15)，阳极室与阴极室均开有进水口(18)和出水口(19)，阴极室和阳极室内的废水可经过出水口(I9)、排水管(20)及排水栗(11)排入氨吹脱池(12);搅拌机(8)的搅拌桨浸没在阳极室的水体中，pH计(9)探头浸没在阳极室水体中，含镁电极板(6)置于阳极室水体中，与恒流电源(5)的正极相连作为阳极板，惰性电极板(7)放入阴极室水体中，与恒流电源(5)的负极相连作为阴极板;曝气管(3)—端连接曝气栗(4)，另一端通在氨吹脱池(12)中，氨吹脱池(12)中置有氨氮在线测试装置(14)，吹脱出的含氨气体通入氨吸收装置(13);计算机(10)与曝气栗(4)、恒流电源(5)、搅拌机⑶、PH计(9)、排水栗(11)、氨氮在线测试装置(14)分别相连。2.根据权利要求1所述的用于回收废水氮磷的装置，其特征在于，所述的夹持装置(16)夹装质子交换膜(2)的方式是通过法兰螺栓，或法兰U型夹依次夹装阳极室侧壁及该侧密封垫圈(15)、质子交换膜(2)、另一密封垫圈(15)及阴极室侧壁。3.根据权利要求1所述的用于回收废水氮磷的装置，其特征在于，所述的长方形孔(17),其各边长为阳极室与阴极室接触侧壁壁面对应边长的0.65?0.85倍。4.根据权利要求1所述的用于回收废水氮磷的装置，其特征在于，所述的密封垫圈(15)的外圈边长为阳极室与阴极室接触侧壁壁面对应边长的I?1.2倍，密封垫圈(15)的内圈边长为阳极室与阴极室接触侧壁壁面长方形孔(17)对应边长的I?1.2倍。5.根据权利要求1所述的用于回收废水氮磷的装置，其特征在于，所述的质子交换膜(2)为长方形，其边长为密封垫圈(15)内圈对应边长的1.1?1.2倍。6.根据权利要求1所述的用于回收废水氮磷的装置，其特征在于，所述的含镁电极板(6)中镁质量百分数达95%及以上。
【文档编号】C02F9/06GK205575731SQ201620347856
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年4月22日
【发明人】韩志英, 林孝昶, 段立安, 李长伟, 王雷, 朱松明, 李建平
【申请人】浙江大学