CN107487814A - 一种高氨氮高磷化废水资源化的电化学方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高氨氮高磷化废水资源化的电化学方法，包括从废水中回收磷产生磷酸盐的方法和从废水中回收氮磷及重金属的方法。本发明对高氨氮高磷化废水进行简单的除杂以后，通过电解池的电解反应使得电极反应产物和高氨氮高磷化废水中NH₄ ⁺、PO₄ ^3‑能够均匀快速的形成鸟粪石或磷酸盐沉淀回收。该方法无需外投药剂，无需调节pH，只需少量电耗便可实现高氨氮高磷化废水中氮磷的资源化回收。

Description

一种高氨氮高磷化废水资源化的电化学方法

技术领域

本发明公开了一种高氨氮高磷化废水资源化的电化学方法，属于废水处理与资源化利用领域。

背景技术

对高氨氮高磷化废水而言，如果不经过前处理去除大部分的氮磷，则会导致生物处理系统处理负荷过高而无法正常运行。传统的化学除磷工艺是在生物除磷的基础上辅以化学沉淀除磷，无法克服化学污泥产量大、磷资源难以回收利用的弊端。为了解决这些问题，许多研究者在此基础上通过投加金属盐类，控制反应条件，借此产生可回收利用的磷酸盐的工艺装置。

目前，磷回收的产品形式为磷酸铁(FePO₄)、磷酸铝(AlPO₄)、鸟粪石(MgNH₄PO₄·6H₂O，MAP)和羟基磷灰石(Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂，简称HAP)等磷酸盐沉淀物。鸟粪石可直接或间接被用作农业、林业优质肥料；磷酸钙能被工业磷酸盐利用再循环；磷酸铝可被特种磷回收工艺用原料利用。

虽然化学沉淀工艺能够很大程度上通过回收MAP的方法实现氮磷的资源化利用，但它们依旧存在着一定的不足：需要定时投加药剂，不仅提高了反应成本，同时药剂需要囤积，也增加了管理成本；反应的pH需要严格控制，一旦pH控制不当，都会导致无法形成MAP。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高氨氮高磷化废水资源化的电化学方法，该方法无需外投药剂，无需调节pH，可解决现在化学沉淀工艺存在的需要定时投加药剂，需要严格控制反应的pH的缺陷。

本发明包括以下方法：

方法一、从废水中回收磷产生磷酸盐：

采用铁棒或铝棒作为阳极电极，铜棒或碳棒作为阴极电极时，外接电源为直流电源；工作过程为：电解系统通入直流电后，阳极金属铁或铝发生氧化反应，金属铁氧化成Fe^{2 +}、Al³⁺溶解于水中，阳极曝气会使得Fe²⁺被氧化成Fe³⁺；阴极电极将H₂O中的H⁺还原为H₂和OH^-，氢氧根能使pH维持在磷酸铁或磷酸铝形成的pH范围内，故无需控制反应pH。Fe³⁺或Al³⁺会和废水中的PO₄ ^3-在适当pH情况下形成磷酸铁或磷酸铝沉淀；电极及沉淀反应方程式如下：

阳极电极:Fe-2e^-→Fe²⁺

4Fe²⁺+O₂+4H⁺→2OH^-+4Fe³⁺

阴极电极:2H₂O+2e^-→2OH^-+H₂↑

磷酸铁沉淀反应:Fe³⁺+PO₄ ^3-→FePO₄↓

阳极电极:Al-3e^-→Al³⁺

阴极电极:2H₂O+2e^-→2OH^-+H₂↑

磷酸铝反应:Al³⁺+PO₄ ^3-→AlPO₄↓；

方法二、从废水中回收氮磷及重金属：

采用双室电解装置，采用盐桥贯通两室废水，氮磷废水在阳极室，重金属废水在阴极室；当采用镁棒作为阳极电极，铜棒或碳棒作为阴极电极时，外接电源为直流电源；工作过程为：电解系统通入直流电后，阳极电极发生氧化反应，阳极金属镁氧化成Mg²⁺溶解于水中；阴极电极将废水中的重金属离子Mⁿ⁺还原为零价态重金属M；Mg²⁺和氨氮废水中的NH₄ ⁺、及废水中的PO₄ ^3-在适当pH情况下形成鸟粪石沉淀；电极及沉淀反应方程式如下：

阳极电极:Mg-2e^-→Mg²⁺

阴极电极:Mⁿ⁺+ne^-→M

鸟粪石反应:Mg²⁺+NH₄ ⁺+PO₄ ^3-+6H₂O→MgNH₄PO₄·6H₂O↓

其中，当阳极采用铁棒或铝棒，铜棒或碳棒作为阴极电极时，外接电源为直流电源；工作过程为：电解系统通入直流电后，阳极金属铁或铝发生氧化反应，金属铁氧化成Fe^{2 +}、Al³⁺溶解于水中，阳极曝气会使得Fe²⁺被氧化成Fe³⁺；阴极电极将废水中的重金属离子Mⁿ⁺还原为零价态重金属M；Fe³⁺或Al³⁺会和废水中的PO₄ ^3-在适当pH情况下形成磷酸铁或磷酸铝沉淀；电极及沉淀反应方程式如下：

阳极电极:Fe-2e^-→Fe²⁺

4Fe²⁺+O₂+4H⁺→2OH^-+4Fe³⁺

阴极电极:Mⁿ⁺+ne^-→M

磷酸铁沉淀反应:Fe³⁺+PO₄ ^3-→FePO₄↓

阳极电极:Al-3e^-→Al³⁺

阴极电极:Mⁿ⁺+ne^-→M

磷酸铝反应:Al³⁺+PO₄ ^3-→AlPO₄↓

其中，重金属废水是含铜废水、含铅废水或含汞废水。

本发明的有益效果：

本发明对高氨氮高磷化废水进行简单的除杂以后，通过电解池的电解反应使得电极反应产物和高氨氮高磷化废水中NH₄ ⁺、PO₄ ^3-能够均匀快速的形成鸟粪石或磷酸盐沉淀回收。该方法最大有益效果为无需外投药剂，无需调节pH，只需少量电耗便可实现高氨氮高磷化废水中氮磷的资源化回收。

具体实施方式

实施例一：将10L污泥消解后的上清液通过方法一处理，阳极电极采用铁棒，得到沉淀的磷酸盐的同时PO₄ ^3-去除率达到86.6％。

实施例二：将10L污泥消解后的上清液通过方法一处理，阳极电极采用铝棒，得到沉淀的磷酸铝的同时PO₄ ^3-去除率达到89.7％。

实施例三：将NH₄ ⁺浓度200mg/L，PO₄ ^3-浓度1000mg/L的模拟高氨氮高磷化废水以及200mg/L含铜模拟废水通过方法二处理，阳极采用镁棒，盐桥采用琼脂—饱和氯化钾盐桥，得到沉淀的鸟粪石及单质铜的同时NH₄ ⁺、PO₄ ^3-、Cu⁺去除率分别可达到65.3％、70.1％、50.9％。

Claims (1)

1.一种高氨氮高磷化废水资源化的电化学方法，其特征在于：该方法包括以下方法：

方法一、从废水中回收磷产生磷酸盐：

采用铁棒或铝棒作为阳极电极，铜棒或碳棒作为阴极电极时，外接电源为直流电源；工作过程为：电解系统通入直流电后，阳极金属铁或铝发生氧化反应，金属铁氧化成Fe²⁺、Al³⁺溶解于水中，阳极曝气会使得Fe²⁺被氧化成Fe³⁺；阴极电极将H₂O中的H⁺还原为H₂和OH^-，氢氧根能使pH维持在磷酸铁或磷酸铝形成的pH范围内，故无需控制反应pH；Fe³⁺或Al³⁺会和废水中的PO₄ ^3-在适当pH情况下形成磷酸铁或磷酸铝沉淀；电极及沉淀反应方程式如下：

阳极电极:Fe-2e^-→Fe²⁺

4Fe²⁺+O₂+4H⁺→2OH^-+4Fe³⁺

阴极电极:2H₂O+2e^-→2OH^-+H₂↑

磷酸铁沉淀反应:Fe³⁺+PO₄ ^3-→FePO₄↓

阳极电极:Al-3e^-→Al³⁺

阴极电极:2H₂O+2e^-→2OH^-+H₂↑

磷酸铝反应:Al³⁺+PO₄ ^3-→AlPO₄↓；

方法二、从废水中回收氮磷及重金属：

采用双室电解装置，采用盐桥贯通两室废水，氮磷废水在阳极室，重金属废水在阴极室；当采用镁棒作为阳极电极，铜棒或碳棒作为阴极电极时，外接电源为直流电源；工作过程为：电解系统通入直流电后，阳极电极发生氧化反应，阳极金属镁氧化成Mg²⁺溶解于水中；阴极电极将废水中的重金属离子Mⁿ⁺还原为零价态重金属M；Mg²⁺和氨氮废水中的NH₄ ⁺、及废水中的PO₄ ^3-在适当pH情况下形成鸟粪石沉淀；电极及沉淀反应方程式如下：

阳极电极:Mg-2e^-→Mg²⁺

阴极电极:Mⁿ⁺+ne^-→M

鸟粪石反应:Mg²⁺+NH₄ ⁺+PO₄ ^3-+6H₂O→MgNH₄PO₄·6H₂O↓

其中，当阳极采用铁棒或铝棒，铜棒或碳棒作为阴极电极时，外接电源为直流电源；工作过程为：电解系统通入直流电后，阳极金属铁或铝发生氧化反应，金属铁氧化成Fe²⁺、Al³⁺溶解于水中，阳极曝气会使得Fe²⁺被氧化成Fe³⁺；阴极电极将废水中的重金属离子Mⁿ⁺还原为零价态重金属M；Fe³⁺或Al³⁺会和废水中的PO₄ ^3-在适当pH情况下形成磷酸铁或磷酸铝沉淀；电极及沉淀反应方程式如下：

阳极电极:Fe-2e^-→Fe²⁺

4Fe²⁺+O₂+4H⁺→2OH^-+4Fe³⁺

阴极电极:Mⁿ⁺+ne^-→M

磷酸铁沉淀反应:Fe³⁺+PO₄ ^3-→FePO₄↓

阳极电极:Al-3e^-→Al³⁺

阴极电极:Mⁿ⁺+ne^-→M

磷酸铝反应:Al³⁺+PO₄ ^3-→AlPO₄↓

所述的重金属废水是含铜废水、含铅废水或含汞废水。