CN108862490A - 一种利用导电正渗透工艺回收废水中氮磷的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用导电正渗透工艺回收废水中氮磷的装置及方法，属于废水资源化领域。该装置由原料液单元、导电正渗透膜单元与汲取液单元组成。本发明还提供利用该装置回收废水中氮磷的方法，以MgCl2溶液为汲取液，以含氮磷废水为原料液，在导电正渗透膜上施加弱电场，利用导电正渗透工艺将废水浓缩，通过鸟粪石化学沉淀法回收废水中的氮磷。本方法可以使正渗透过程中镁离子通量增大，提高镁盐的利用率和废水浓缩效率，增大氮磷的回收率，并且可以延长正渗透膜的使用时间，具有很好的经济及环境效应。本发明的装置结构简单，稳定性好，处理效率高，流程简单，设备紧凑，占地面积小，易实现自动控制，运行管理简单。

Description

一种利用导电正渗透工艺回收废水中氮磷的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种利用导电正渗透工艺回收废水中氮磷的装置及方法，属于废水资源化领域。
背景技术
氮和磷是一种重要资源，它们既是所有生物细胞的重要组成元素，又是生产农肥和饲料等人们生活所需必需品的原料。随着人类经济活动的发展和人口数量的逐渐增多，人类对氮磷资源的需求日益增加。科学研究发现，氮磷等元素的生物化学循环完全不同，在生物圈中是单向流动的，而且难以再生。据估计，按照目前的消费量，世界磷矿资源将在100年内陷于枯竭。另一方面，人类不断开采不可再生的磷矿资源，利用其中的部分磷元素，将其余的排入水环境或污泥中，这不仅耗竭了磷矿资源，同时导致了水体富营养化。目前全球范围内普遍存在陆地磷矿资源日益匮乏与水环境中磷含量过高而导致水体富营养化的矛盾。因此，研究和发展废水氮磷资源化回收技术意味着将防治水体富营养化与氮磷的可持续利用合二为一，不管在经济方面还是生态方面，都呈现出新的吸引力和战略价值。
鸟粪石又称磷酸铵镁(MgNH4PO4·6H2O)，同时富含N、P和Mg三种植物生长所必需的营养元素，是一种高效的缓释肥，具有一定的回收利用价值。从废水中以鸟粪石的形式同时回收氨氮和磷，不仅可以实现磷资源的可持续利用，从根本上解决磷资源短缺的问题；同时也可防止土壤中氮磷的流失而带来的水体富营养化等问题，是确保氮磷资源化回收并保护环境的有效方法，例如：中国专利文件CN103848540A公布了一种鸟粪石沉淀法处理氨氮废水的工艺方法，所述的工艺方法为：向废水中投加一定的镁源和磷源，控制一定的pH值，经反应后，沉淀物沉淀在反应器底部，经固液分离分离出鸟粪石，污水进入厌氧池进一步处理，排出的鸟粪石作为缓释肥售出。但是该方法的缺点是磷酸和镁沉淀剂消耗量大，脱氮除磷效率低下，回收效率差。
正渗透(FO)是一种依靠选择性渗透膜两侧的渗透压差为驱动力，自发实现水分子传递的膜分离技术，具有低能耗、低污染、污染物截留能力强等特点，可以用于废水中氮磷的回收。利用正渗透技术浓缩废水，通过化学沉淀回收氮磷的方法也有文献报道，例如：Xie等利用正渗透-膜蒸馏组合工艺，通过正渗透浓缩污泥消化液中的氮和磷，并进一步与Mg2+反应形成鸟粪石；膜蒸馏用于正渗透汲取液MgCl2溶液的回收，并从污泥消化浓缩液中回收水(Environmental Science&Technology Letters,2014,1(2),191–195)。然而，现有FO过程中会存在膜污染，以及废水中盐度的积累，从而导致水通量的下降的问题。同时，高成本汲取液的使用，导致传统的鸟粪石回收过程不够经济，消耗的资源比生产的要多。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种利用导电正渗透工艺回收废水中氮磷的装置及方法。本方法利用导电正渗透工艺浓缩废水，通过鸟粪石化学沉淀法回收氮磷，本发明的方法能够提高废水浓缩效率及膜的离子交换量，从而增大鸟粪石的回收率。
本发明的技术方案如下：
一种利用导电正渗透工艺回收废水中氮磷的装置，包括：
原料液单元、导电正渗透膜单元与汲取液单元；
所述的原料液单元包括原料液容器、第一蠕动泵、磁力搅拌器；所述的汲取液单元包括汲取液容器、第二蠕动泵、数字天平；所述的导电正渗透膜单元包括导电正渗透膜、反应器、反应器夹持槽和外设电源；
所述的反应器夹持槽位于反应器中间的1/2高度处；所述的导电正渗透膜固定于反应器夹持槽中，将反应器分隔为原料液侧和汲取液侧；所述的反应器的原料液侧和汲取液侧的下方各设有一个进口，上方各设有一个出口；所述的外设电源通过导线与导电正渗透膜连接；
所述的原料液容器通过水管分别与原料液侧的进口和出口连接，使导电正渗透处理后的原料液循环流入原料液容器，形成循环回路；所述的原料液容器与原料液侧之间设有第一蠕动泵；所述的原料液容器下设有磁力搅拌器；
所述的汲取液容器通过水管分别与汲取液侧的进口和出口连接，使导电正渗透处理后的汲取液循环流入汲取液容器，形成循环回路；所述的汲取液容器与汲取液侧之间设有第二蠕动泵；所述的汲取液容器下设有数字天平。
根据本发明的装置，优选的，所述的导电正渗透膜由导电碳材料构建，进一步优选的，所述的导电碳材料为以活性炭作支撑层，聚酰胺为活性层的复合结构的正渗透膜材料，进一步优选的，所述的聚酰胺为聚酰胺-6。
根据本发明的装置，优选的，所述的反应器为有机玻璃反应器，进一步优选的，所述的反应器为长、宽、高分别为0.5m、0.4m、0.3m的有机玻璃反应器。
一种利用上述装置回收废水中氮磷的方法，包括如下步骤：
(1)将原料液和汲取液分别加入到原料液容器和汲取液容器中；
(2)将导电正渗透膜固定在反应器夹持槽中，反应器夹持槽位于反应器中间1/2高度处，将反应器分为原料液侧和汲取液侧；将导线接入导电正渗透膜上，利用导线可将导电正渗透膜与外设电源连接，在导电正渗透膜上施加弱电场；
(3)通过第一蠕动泵和第二蠕动泵，将原料液和汲取液同时分别打入反应器的原料液侧和汲取液侧；打开原料液容器下方的磁力搅拌器，接通外设电源开始导电正渗透过程；
(4)在导电正渗透过程运行中，通过汲取液容器下的数字天平实时记录汲取液质量的变化；
(5)导电正渗透过程结束后，在原料液中收集鸟粪石，并取一定量的原料液，测定总磷与氨氮的浓度，计算总磷的回收率和氨氮的去除率。
根据本发明的方法，优选的，步骤(1)中所述的汲取液为摩尔浓度为0.5～1.5mol/L的MgCl2溶液；所述的原料液为模拟污水厂厌氧消化池中的污泥消化浓缩液，其中磷和氮的浓度分别为240～260mg/L和240～260mg/L。
根据本发明的方法，优选的，步骤(2)中所述的导电正渗透膜是由导电碳材料构建的，进一步优选的，所述的导电碳材料为以活性炭作支撑层，聚酰胺为活性层的复合结构的正渗透膜材料，更优选的，所述的聚酰胺为聚酰胺-6。
优选的，所述的反应器为有机玻璃，进一步优选的，所述的反应器为长、宽、高分别为0.5m、0.4m、0.3m的有机玻璃反应器；所述的反应器由导电正渗透膜分为原料液侧和汲取液侧。
根据本发明的方法，优选的，步骤(3)中所述的原料液和汲取液的流速为0.1L/min；所述的原料液从反应器的原料液侧下方进口流入，原料液侧上方出口流出，所述的汲取液从反应器的汲取液侧下方进口流入，汲取液侧上方出口流出；
优选的，所述的外设电源的电压为1V；
根据本发明的方法，优选的，步骤(4)中通过数字天平每隔1min记录汲取液的质量。
根据本发明的方法，优选的，步骤(5)中当原料液体积减少为原来的20％时，导电正渗透过程结束。
根据本发明的方法，在导电正渗透过程中，汲取液带有正电荷的阳离子(Mg2+)通过正渗透膜，即从汲取液一侧向原料液一侧移动，在原料液侧膜界面与PO4 3-和NH4 +结合，生成MgNH4PO4·6H2O沉淀。而汲取液中的阴离子(Cl-)因为同性排斥而不能通过。同时，原液一侧的水分子通过跨膜运输到汲取液一侧，原液体积不断减小，溶液浓缩，从而有助于原液中沉淀的产生；在原料液侧发生的主要化学反应如下：
Mg2++NH4 ++PO4 3-+6H2O→MgNH4PO4·6H2O↓
Mg2++NH4 ++HPO4 2-+6H2O→MgNH4PO4·6H2O↓+H+
Mg2++NH4 ++HPO4 2-+6H2O+OH-→MgNH4PO4·6H2O↓+H2O
本发明采用以导电碳材料构建的导电正渗透膜为核心的导电正渗透工艺回收废水中的氮磷，实验证明，稳定运行后总磷回收率可以到97％以上，氨氮去除率可达到93％以上，同时所需要的外源电压小，具有较好的经济以及环境效应。
与现有技术相比，本发明具有如下突出优点：
1、本发明的导电正渗透工艺装置结构简单，稳定性好，处理效率高，流程简单，设备紧凑，占地面积小，易实现自动控制，运行管理简单。
2、本发明在导电正渗透膜上施加弱电场，使导电正渗透过程中镁离子通量增大，提高镁盐的利用率，并且能够提高废水浓缩效率，增大鸟粪石的回收率，从而节约投入成本。
3、正渗透过程中，膜污染问题不可避免，而本发明在正渗透膜上施加弱电场，有一定的抗污染作用，从而延长正渗透膜的使用时间，有利于节约成本。
附图说明
图1为本发明实施例1中利用导电正渗透工艺回收废水中氮磷装置的结构示意图。
其中：1、外设电源，2、原料液容器，3、磁力搅拌器，4、第一蠕动泵，5、导电正渗透膜，6、反应器，61、原料液侧，62、汲取液侧，7、反应器夹持槽，8、第二蠕动泵，9、汲取液容器，10、数字天平。
图2为本发明实施例2中利用导电正渗透工艺回收废水中氮磷装置的内部原理图。
其中，1、外设电源，11、原料液，5、导电正渗透膜，12、汲取液。
具体实施方式
下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步说明，但不限于此。
实施例1
一种利用导电正渗透工艺回收废水中氮磷的装置，包括：
原料液单元、导电正渗透膜单元与汲取液单元；
所述的原料液单元包括原料液容器2、磁力搅拌器3、第一蠕动泵4；所述的汲取液单元包括汲取液容器9、数字天平10、第二蠕动泵8；所述的导电正渗透膜单元包括导电正渗透膜5、反应器6、反应器夹持槽7和外设电源1；
所述的导电正渗透膜单元中，反应器夹持槽7位于反应器6中间的1/2高度处；所述的导电正渗透膜5固定于反应器夹持槽7中，将反应器6分隔为原料液侧61和汲取液侧62；所述的反应器6的原料液侧61和汲取液侧62的下端各设有一个进口，上端各设有一个出口；所述的外设电源1通过导线与导电正渗透膜5连接；
所述的原料液容器2通过水管(硅胶管)分别与原料液侧61的进口和出口连接，使导电正渗透处理后的原料液循环流入原料液容器2，形成循环回路；所述的原料液容器2和原料液侧61之间设有第一蠕动泵4；所述的原料液容器2下设有磁力搅拌器3；
所述的汲取液容器9通过水管(硅胶管)分别与汲取液侧62的进口和出口连接，使导电正渗透处理后的汲取液循环流入汲取液容器9；所述的汲取液容器9与汲取液侧62之间设有第二蠕动泵8；所述的汲取液容器9下设有数字天平10；
所述的导电正渗透膜5由导电碳材料构建，导电碳材料为以活性炭作支撑层，聚酰胺-6为活性层的复合结构的正渗透膜材料；
所述的反应器6为有机玻璃反应器，长、宽、高分别为0.5m、0.4m、0.3m。
实施例2
一种利用实施例1中的装置回收废水中氮磷的方法，包括步骤如下：
(1)汲取液为0.50mol/L MgCl2溶液，废水用KH2PO4、NH4CL配制得到，其中磷和氮的浓度分别为250mg/L和250mg/L，将汲取液MgCl2溶液和原料液模拟废水分别加入到汲取液容器9和原料液容器2中；
(2)将导电正渗透膜5固定在反应器夹持槽7中，将导线接入导电正渗透膜5上，在导电正渗透膜上5施加弱电场，电压为1V；
(3)启动第一蠕动泵4和第二蠕动泵8，原料液和汲取液的流速为0.1L/min，将原料液和汲取液同时分别打入反应器6的原料液侧61和汲取液侧62中，打开磁力搅拌器3，接通外设电源1开始导电正渗透过程；
(4)在导电正渗透过程运行中，通过数字天平10每隔1min记录汲取液的质量变化；
(5)原料液体积减少为原来的20％时，导电正渗透过程结束，在原料液中收集鸟粪石，并取一定量的原料液，测定总磷与氨氮的浓度，总磷的回收率为95％，氨氮的去除率为90％。
实施例3
一种利用实施例1中的装置回收废水中氮磷的方法，包括步骤如下：
(1)汲取液为1.50mol/L MgCl2溶液，废水用KH2PO4、NH4CL配制得到，其中磷和氮的浓度分别为250mg/L和250mg/L，将汲取液MgCl2溶液和原料液废水分别加入到汲取液容器9和原料液容器2中；
(2)将导电正渗透膜5固定在反应器夹持槽7中，将导线接入导电正渗透膜5上，在导电正渗透膜上施加弱电场，电压为1V；
(3)启动第一蠕动泵4和第二蠕动泵8，原料液和汲取液的流速为0.1L/min，将原料液和汲取液同时分别打入反应器6的原料液侧61和汲取液侧62中，打开磁力搅拌器3，接通外设电源1开始导电正渗透过程；
(4)在导电正渗透过程运行中，通过数字天平10每隔1min记录汲取液的质量变化；
(5)原料液体积减少为原来的20％时，导电正渗透过程结束，在原料液中收集鸟粪石，并取一定量的原料液，测定总磷与氨氮的浓度，总磷的回收率为97％，氨氮的去除率为93％。
对比例
(1)汲取液为0.50mol/L MgCl2溶液，废水用KH2PO4、NH4CL配制得到，其中磷和氮的浓度分别为250mg/L和250mg/L，将汲取液MgCl2溶液和原料液废水分别加入到汲取液容器9和原料液容器2中；
(2)将导电正渗透膜5固定在反应器夹持槽7中；
(3)启动第一蠕动泵4和第二蠕动泵8，原料液和汲取液的流速为0.1L/min，将原料液和汲取液同时分别打入反应器6的原料液侧61和汲取液侧62中，打开磁力搅拌器3，开始正渗透过程；
(4)在正渗透过程运行中，通过数字天平10每隔1min记录汲取液的质量变化；
(5)原料液体积减少为原来的20％时，正渗透过程结束，在原料液中收集鸟粪石，并取一定量的原料液，测定总磷与氨氮的浓度，总磷的回收率为83％，氨氮的去除率为80％。
该对比例重复了实施例2的条件，只是正渗透过程中没有在导电正渗透膜上施加弱电场。从中可以看出，采用正渗透工艺，总磷的回收率及氨氮的去除率较低；采用导电正渗透工艺，总磷的回收率可达97％，氨氮的去除率可达93％，同时所需要的外源电压小，具有较好的经济以及环境效应。

Claims (10)

1.一种利用导电正渗透工艺回收废水中氮磷的装置，包括：
原料液单元、导电正渗透膜单元与汲取液单元；
其特征在于，所述的原料液单元包括原料液容器、第一蠕动泵、磁力搅拌器；所述的汲取液单元包括汲取液容器、第二蠕动泵、数字天平；所述的导电正渗透膜单元包括导电正渗透膜、反应器、反应器夹持槽和外设电源；
所述的反应器夹持槽位于反应器中间的1/2高度处；所述的导电正渗透膜固定于反应器夹持槽中，将反应器分隔为原料液侧和汲取液侧；所述的反应器的原料液侧和汲取液侧的下方各设有一个进口，上方各设有一个出口；所述的外设电源通过导线与导电正渗透膜连接；
所述的原料液容器通过水管分别与原料液侧的进口和出口连接，使导电正渗透处理后的原料液循环流入原料液容器，形成循环回路；所述的原料液容器与原料液侧之间设有第一蠕动泵；所述的原料液容器下设有磁力搅拌器；
所述的汲取液容器通过水管分别与汲取液侧的进口和出口连接，使导电正渗透处理后的汲取液循环流入汲取液容器，形成循环回路；所述的汲取液容器与汲取液侧之间设有第二蠕动泵；所述的汲取液容器下设有数字天平。
2.根据权利要求1所述的一种利用导电正渗透工艺回收废水中氮磷的的装置，其特征在于，所述的导电正渗透膜由导电碳材料构建。
3.根据权利要求2所述的一种利用导电正渗透工艺回收废水中氮磷的的装置，其特征在于，所述的导电碳材料为以活性炭作支撑层，聚酰胺为活性层的复合结构的正渗透膜材料，优选的，所述的聚酰胺为聚酰胺-6。
4.根据权利要求1所述的一种利用导电正渗透工艺回收废水中氮磷的的装置，其特征在于，所述的反应器为有机玻璃反应器，优选的，所述的反应器为长、宽、高分别为0.5m、0.4m、0.3m的有机玻璃反应器。
5.一种利用权利要求1所述装置回收废水中氮磷的方法，包括如下步骤：
(1)将原料液和汲取液分别加入到原料液容器和汲取液容器中；
(2)将导电正渗透膜固定在反应器夹持槽中，反应器夹持槽位于反应器中间1/2高度处，将反应器分为原料液侧和汲取液侧；将导线接入导电正渗透膜上，利用导线可将导电正渗透膜与外设电源连接，在导电正渗透膜上施加弱电场；
(3)通过第一蠕动泵和第二蠕动泵，将原料液和汲取液同时分别打入反应器的原料液侧和汲取液侧；打开原料液容器下方的磁力搅拌器，接通外设电源开始导电正渗透过程；
(4)在导电正渗透过程运行中，通过汲取液容器下的数字天平实时记录汲取液质量的变化；
(5)导电正渗透过程结束后，在原料液中收集鸟粪石，并取一定量的原料液，测定总磷与氨氮的浓度，计算总磷的回收率和氨氮的去除率。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(1)中的所述的汲取液为摩尔浓度为0.5～1.5mol/L的MgCl2溶液；所述的原料液为模拟污水厂厌氧消化池中的污泥消化浓缩液，其中磷和氮的浓度分别为240～260mg/L和240～260mg/L。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(3)中所述的原料液和汲取液的流速为0.1L/min；所述的原料液从反应器的原料液侧下方进口流入，原料液侧上方出口流出，所述的汲取液从反应器的汲取液侧下方进口流入，汲取液侧上方出口流出。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(3)中所述的外设电源的电压为1v。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(4)中通过数字天平每隔1min记录汲取液的质量。
10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(5)中当原料液体积减少为原来的20％时，导电正渗透过程结束。
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