一种鸟粪石循环结晶法强化脱氮并回收氮磷的方法及装置与流程

本发明涉及污水处理技术领域，尤其涉及一种鸟粪石循环结晶法强化脱氮并回收氮磷的方法及装置领域。

背景技术：

氮、磷是生命物质不可缺少的元素之一，同时，磷还是地球上不可再生的有限资源。对于大多是高氮磷废水而言，若没有通过预处理，会导致生物处理系统处理负荷过高而产生运行问题。而传统的化学脱氮除磷工艺则无法解决化学产泥量大、氮磷资源回收再利用的弊端。因此，为了实现从氮磷废水中回收氮、磷，既可以改善水体富营养化的问题，也可以实现氮磷的回收再利用，因而受到广泛关注。

通过各种形式回收氮磷元素的方法中,鸟粪石结晶法由于其氮磷含量高并可直接或间接作为缓释肥料，不会对植物根系造成伤害,并且其难溶于水的特性不会导致水体富营养化,因此非常适合作为园林、苗圃等植被的磷肥,也可以制成清洁剂、化妆品和动物饲料。

目前，国内外对氮磷废水的处理方法主要有生物法、物理方法和化学方法。生物法主要采用a-o工艺,该工艺虽然较为成熟但大多适用于较低浓度氨氮废水(氨氮浓度小于200mg/l)的处理,浓度大于1000mg/l的氨氮废水会对该方法中的硝化细菌产生严重抑制作用，并且会产生大量的污泥。物理方法虽较适合处理氮磷废水,但其处理成本较高、操作严格且易引起二次污染。化学法主要有折点氯化法、化学沉淀法等，但其投药成本较高、且易产生新的化学污染。

鸟粪石又称六水合磷酸铵镁(mgnh4po4·6h2o)，是一种难溶于水的白色晶体矿物，呈正菱形晶体结构。0℃时的溶解度仅为0.023g/l，当水中mg²⁺、nh4⁺、以及po4^3-在水中的离子溶度积大于2.5×10^-13时，就会自发结晶产生鸟粪石沉淀。

鸟粪石结晶法处理氮磷废水，其基本原理为：向氮磷废水中加入溶解性的镁盐和磷酸盐，使之与废水中的氮磷反应生成磷酸铵镁沉淀。已有的研究表明，以鸟粪石结晶法处理含高浓度氮磷的屠宰场废水，可使氨氮和磷的去除率均达到90％以上；处理化肥厂的高浓度氮磷废水，可使氨氮和磷的去除率均达到95％以上，氮磷的回收率达到80％。

鸟粪石结晶法处理高浓度氮磷废水的成本较高,主要的处理成本在于沉淀药剂镁盐和磷酸盐的费用。根据文献报道,鸟粪石结晶法处理垃圾填埋渗滤液费用为3.89～7.10元/m³,与其他处理方法相比成本较高

技术实现要素：

本发明的目的是公开一种电解鸟粪石循环结晶法强化脱氮并回收废水中氮磷的方法及装置，该方法不仅对高浓度氨氮废水具有很好的脱氮效果，并且可以将氨氮和磷以鸟粪石的形式回收并循环利用，达到对环境和经济都有益的效果。

本发明是这样实现的：

一种鸟粪石循环结晶法强化脱氮并回收氮磷的方法，所述方法包括如下步骤：

(1)将氯化钠溶液和鸟粪石晶体加入电解池中，为电解装置通5伏～12伏电压的直流电，调节ph值为8～10，通过曝气装置曝气头向电解池中通入空气，反应150分钟后，得到含镁盐和磷酸盐的固液混合电解产物，关闭电源；

(2)将经过砂滤系统过滤的高浓度氨氮废水通过导管导入电解池中，与步骤(1)得到的含镁盐和磷酸盐的固液混合电解产物混合，调节ph值为8～10，置于室温下搅拌120分钟，反应结束后静置，得到沉淀的鸟粪石固体和废水；

(3)重复步骤(1)和步骤(2)，当氨氮的去除率下降，溶液中氨氮浓度无变化或溶液中氨氮浓度升高时停止循环。

所述步骤(1)中，电解池所采用的阳极电极为石墨板或不锈钢板惰性电极，阴极电极为石墨板或不锈钢板惰性电极。

所述步骤(1)中，氯化钠溶液的含盐量不低于3％。

所述步骤(2)中，高浓度氨氮废水导入电解池后，每立方米废水中再加入0.05千克～2.00千克镁盐。

一种鸟粪石循环结晶法强化脱氮并回收氮磷的装置，包括：电解池(1)、进水口(2)、出水口(3)、取样口(4)、外加电源(5)、阳极电极(51)、阴极电极(52)、外电路(53)、鸟粪石沉淀回收槽(6)、鸟粪石沉淀回收槽导管(61)、曝气装置(7)、曝气装置曝气管(71)、曝气装置曝气头(72)、搅拌桨(73)、氯化钠溶液加药管(9)、流量计(91)、药剂槽(10)、计量泵(11)，电解池(1)下部为鸟粪石沉淀回收槽(6)，鸟粪石沉淀回收槽(6)的底部连接有鸟粪石沉淀回收槽导管(61)，电解池(1)的左侧设有进水口(2)，右侧设有出水口(3)和取样口(4)，氯化钠溶液加药管(9)与流量计(91)通过管道相连，设置在电解池(1)的外部右侧，流量计(91)通过管道伸入至电解池(1)内部，药剂槽(10)与药剂泵(11)通过管道相连，设置在电解池(1)的外部，药剂泵(11)通过管道伸入至电解池(1)内部。

所述阳极电极(51)和阴极电极(52)位于电解池(1)内部，阳极电极(51)布置在靠近进水口(2)的一侧，阴极电极(52)布置在靠近出水口(3)的一侧，阳极电极(51)和阴极电极(52)之间连接外加电源(5)和外加电路(53)。

所述曝气装置(7)通过曝气装置曝气管(71)与曝气装置曝气头(71)相连通，曝气装置(7)通过曝气装置曝气管(71)伸入电解池(1)内部。

本发明的有益效果是：本发明对高氨氮废水进行简单除杂以后，通过电解池的电解反应，得到磷酸铵镁晶体的电解产物，使得高氨氮废水中的nh4⁺能够均匀快速的形成鸟粪石沉淀并回收利用。该装置最大的有益效果为可重复利用鸟粪石晶体的电解产物即可实现高氨氮废水中氮磷的资源化回收。

附图说明

图1为鸟粪石循环结晶法强化脱氮并回收氮磷装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明涉及污水处理技术领域，尤其涉及一种鸟粪石循环结晶法强化脱氮并回收氮磷的方法及装置领域。

本发明的目的是公开一种电解鸟粪石循环结晶法强化脱氮并回收废水中氮磷的方法，该方法不仅对高浓度氨氮废水具有很好的脱氮效果，并且可以将氨氮和磷以鸟粪石的形式回收并循环利用，达到对环境和经济都有益的效果。

为了达到上述目的，本发明针对鸟粪石结晶法处理成本高的缺点，将沉淀收集的鸟粪石固体在氯化钠溶液中电解，得到只含有镁盐和磷酸盐的固体电解产物，同时将电解产生的氮气进行回收；含镁盐和磷酸盐的固体电解产物再次用来处理废水并得到鸟粪石，如此循环利用几次，充分提高了镁盐和磷酸盐的利用，最终对不能再循环的鸟粪石作为缓释肥料回收。该方法既保证了较高的氮磷去除率，又大幅度减少了高浓度氨氮废水的处理成本，同时充分回收了有益处的氮磷资源，是对传统鸟粪石结晶技术的创新和发展。

本发明将氯化钠溶液和一定量鸟粪石晶体加入电解池中，为电解装置通一定电压的直流电，为曝气系统的曝气头通入一定量空气，反应一段时间后，得到含镁盐和磷酸盐的固液混合电解产物，关闭电源；将经过砂滤系统过滤的高浓度氨氮废水通过导管导入电解池中，与上述步骤(1)得到的含镁盐和磷酸盐的固液混合电解产物混合，置于室温下搅拌，反应一段时间后，得到沉淀的鸟粪石和废水；把沉淀收集的鸟粪石再次利用，可投加少量镁盐，与氯化钠溶液混合后电解，再次生成鸟粪石；将鸟粪石电解，电解产物再次处理高浓度氨氮废水，如此循环几次。处理后废水澄清，氨氮浓度大幅度降低。

具体工艺步骤如下：

一、将氯化钠溶液和一定量鸟粪石晶体加入电解池中，为电解装置通5伏～12伏电压的直流电，调节ph值为8～10，通过曝气装置曝气头向电解池中通入一定量空气，反应150分钟后，得到含镁盐和磷酸盐的固液混合电解产物，关闭电源；

二、将经过砂滤系统过滤的高浓度氨氮废水浓度为426～2846mg/l，通过导管导入电解池中，与上述步骤(1)得到的含镁盐和磷酸盐的固液混合电解产物混合，调节ph值为8～10，置于室温下搅拌120分钟，反应结束后静置，得到沉淀的鸟粪石固体和废水；

重复步骤一和步骤二3～5次，氨氮的去除率明显下降，当溶液中氨氮浓度无明显变化或有升高趋势时停止循环，将不能再利用的鸟粪石作为缓释肥料加以利用。

电解池，用于对上述预处理后的高氨氮废水进行电解提供反应场所。

曝气装置、曝气装置曝气管、曝气装置曝气头构成的曝气系统，用于对电解池进行曝气，目的在于起到空气搅动的作用。

电解装置是电解池的电解反应系统，采用导电物质作为阳极电极和阴极电极，外界电源为直流电源。工作原理是：外加电源、阳极电极、阴极电极和外电路构成的电解装置，用于对加入的氯化钠溶液和磷酸铵镁晶体进行电解，使的磷酸铵镁晶体在电解池中分解，并生成mghpo4·3h20和mg3(po4)2·22h20。反应式如下：

2cl^--2e^-→cl2

cl2+h20→hocl+h⁺+cl^-

2nh4⁺+3hocl→n2+5h⁺+3cl^-+3h20

mgnh4po4·6h20+h⁺→mg²⁺+nh4⁺+hpo4^2-+6h20

mg²⁺+hpo4^2-+3h20→mghpo4·3h20

3mg²⁺+2h2po4^-+22h20→mg3(po4)2·22h20+4h⁺

反应一段时间后，关闭电源，将经过砂滤系统预处理的高氨氮废水通过导管导入电解池中，开启搅拌桨，反应一定时间后，得到沉淀的鸟粪石和废水。

沉淀的鸟粪石通过人工刮取或自动刮取，重复利用。

鸟粪石沉淀回收槽用于对电解池中形成的鸟粪石进行收集，回收再利用。

此时，经过预处理后的高氨氮废水与电解产物混合，电解池中的mghpo4·3h20和mg3(po4)2·22h20重新吸收水中的铵根离子，形成鸟粪石沉淀。反应式如下：

mghpo4+nh4⁺+6h20→mgnh4po4·6h20+h⁺

形成的鸟粪石晶体经过回收后再次被投入电解池中，在氯化钠溶液的作用下进行电解，电解产物继续吸收废水中的铵根离子。

本发明进一步描述如下：

一种利用电解鸟粪石循环结晶法强化脱氮并回收废水中氮磷的方法，包括以下步骤：

一、电解鸟粪石溶液

先将氯化钠溶液和一定量鸟粪石晶体加入电解池中，为电解装置通5伏～12伏电压的直流电，调节ph值为8～10，通过曝气装置曝气头向电解池中通入一定量空气，反应150分钟后，得到含镁盐和磷酸盐的固液混合电解产物，关闭电源；

二、用鸟粪石电解产物处理高浓度氨氮废水

将经过砂滤系统过滤的高浓度氨氮废水浓度为426～2846mg/l，通过导管导入电解池中，与上述步骤一得到的含镁盐和磷酸盐的固液混合电解产物混合，调节ph值为8～10，置于室温下搅拌120分钟，反应结束后静置，得到沉淀的鸟粪石和废水；

三、再用鸟粪石电解产物处理高浓度氨氮废水

重复步骤一和步骤二3～5次，氨氮的去除率明显下降，当溶液中氨氮浓度无明显变化或有升高趋势时停止循环，将不能再利用的鸟粪石作为缓释肥料加以利用。

步骤一中的阳极、阴极电极均采用石墨板或不锈钢板等惰性电极。

步骤二中所述的将电解得到的含镁盐和磷酸盐的固液混合产物加入待处理的氨氮浓度为426～2846mg/l的高浓度氨氮废水中时，再在每立方米废水中投加0.05kg～2.00kg镁盐，能够增强氮的去除效果。

所述氯化钠溶液含盐量为大于3％的溶液。

如图1所示，本发明包括电解池(1)、进水口(2)、出水口(3)、取样口(4)、外加电源(5)、阳极电极(51)、阴极电极(52)、外电路(53)、鸟粪石沉淀回收槽(6)、鸟粪石沉淀回收槽导管(61)、曝气装置(7)、曝气装置曝气管(71)、曝气装置曝气头(72)、搅拌桨(73)、氯化钠溶液加药管(9)、流量计(91)、药剂槽(10)、计量泵(11)；电解池(1)下部为鸟粪石沉淀回收槽(6)，鸟粪石沉淀回收槽(6)的底部具有鸟粪石沉淀回收槽导管(61)，电解池(1)的左侧具有进水口(2)，右侧具有出水口(3)和取样口(4)，阳极电极(51)和阴极电极(52)位于电解池(1)内部，阳极电极(51)和阴极电极(52)之间连接外加电源(5)和外加电路(53)，曝气装置曝气头(72)位于电解池(1)内部，曝气装置曝气头(72)通过曝气装置曝气管(71)与曝气装置(7)相连通，曝气装置(7)通过曝气装置曝气管(71)伸入电解池(1)内部还需设置搅拌桨(8)，氯化钠溶液加药管(9)与流量计(91)相连，药剂槽(10)与药剂泵(11)相连，氯化钠溶液加药管(9)、流量计(91)、药剂槽(10)、药剂泵(11)分别设置在电解池(1)的外部，并通过管道伸入至电解池(1)内部。

所述的阳极电极(51)采用石墨板或石墨棒，所述的阴极电极(52)采用石墨板或石墨棒。

本实例的工作过程：

先将氯化钠溶液和一定量鸟粪石晶体加入电解池中，为电解装置通5伏～12伏电压的直流电，调节ph值为8～10，通过曝气装置曝气头向电解池中通入一定量空气，反应150分钟后，得到含镁盐和磷酸盐的固液混合电解产物，关闭电源；

将经过砂滤系统过滤的高浓度氨氮废水浓度为426～2846mg/l，通过导管导入电解池中，与上述步骤一得到的含镁盐和磷酸盐的固液混合电解产物混合，调节ph值为8～10，置于室温下搅拌120分钟，反应结束后静置，得到沉淀的鸟粪石和废水；

重复步骤一和步骤二3～5次，氨氮的去除率明显下降，当溶液中氨氮浓度无明显变化或有升高趋势时停止循环，将不能再利用的鸟粪石作为缓释肥料加以利用。

实施例一：

通过加药管加入磷酸铵镁晶体和一定量氯化钠溶液，为电解装置通入7伏电压的直流电，其中阴极电极采用石墨钢板，反应150分钟后，将nh4⁺浓度为600mg/l的模拟高氨氮废水通过该系统，得到鸟粪石沉淀，对nh4⁺的去除率达到91.35％。

实施例二：

通过加药管加入磷酸铵镁晶体和一定量氯化钠溶液，为电解装置通入7伏电压的直流电，其中阴极电极采用石墨钢板，反应150分钟后，将nh4⁺浓度为800mg/l的模拟高氨氮废水通过该系统，得到鸟粪石沉淀，对nh4⁺的去除率达到90.69％。

实施例三：

通过加药管加入磷酸铵镁晶体和一定量氯化钠溶液，为电解装置通入7伏电压的直流电，其中阴极电极采用石墨钢板，反应150分钟后，将nh4⁺浓度为1000mg/l的模拟高氨氮废水通过该系统，得到鸟粪石沉淀，对nh4⁺的去除率达到90.27％。

综上所述，本发明涉及了一种利用电解鸟粪石循环结晶法强化脱氮并回收废水中氮磷的方法，一、将氯化钠溶液和一定量纯净的鸟粪石晶体加入电解池中，为电解装置通入一定电压的直流电，为曝气系统的曝气头通入一定量空气，反应一段时间后，得到含镁盐和磷酸盐的固液混合电解产物，关闭电源；二、将经过砂滤系统过滤的高浓度氨氮废水通过导管导入电解池中，与上述步骤一得到的含镁盐和磷酸盐的固液混合电解产物混合，置于室温下搅拌，反应一段时间后，得到沉淀的鸟粪石和废水；三、把收集的鸟粪石沉淀再次利用，可投加少量镁盐，与氯化钠溶液混合后电解，重复上述步骤一、二；四、对最终不能再利用的鸟粪石作为缓释肥料加以利用。对于氨氮浓度为426～2846mg/l的高氨氮废水，经本发明得到的鸟粪石可循环利用3～5次，氨氮去除率高于90％，得到的鸟粪石晶体纯度高于87％，循环利用节约了药剂并回收氮磷资源。