CN110921796A - 电化学回收污水氮磷同步制氢氧系统和方法 - Google Patents
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Abstract
一种电化学回收污水氮磷同步制氢氧系统和方法，系统包括阳极室、产酸室、脱盐室、阴极室和吸收室，依次用阳离子交换膜、阴离子交换膜、阳离子交换膜和透气疏水膜分隔；产酸室与吸收室由两条管路相连通，其中一条管路设有泵，使所产酸液在两室间循环流动。外加电压下，H+经阳离子交换膜进入产酸室，氧气直接收集；脱盐室为产生的酸和碱分别提供酸根和阳离子；阴极室接收电子，产OH‑和氢气，OH‑提升污水pH，一方面为沉淀法回收污水中的磷酸根提供碱性环境，另一方面促进铵氮转化成游离氨从污水中逸出；产酸室酸液流到吸收室后，吸收经透气疏水膜过来的游离氨，同步提纯氢气。本发明实现了污水氮磷同时回收，同步获得副产品氢气和氧气。
Description
技术领域
本发明属于环境工程中的氮磷污水处理及资源回收的技术领域，具体涉及一种电化学回收污水氮磷同步制氢氧系统和方法。
背景技术
氮磷污水如尿液、粪污消化液、污泥厌氧消化液、养殖沼液、垃圾渗沥液和有机废水/物消化液等中含有较高浓度的铵氮及磷酸根，这些废水若直接排放会造成水环境污染，引发自然水体的富营养化。现有的氮磷污水处理方式主要有生物法、鸟粪石法、吹脱-吸收法回收铵氮及羟基磷灰石法回收磷酸根等。生物法的处理工艺较为成熟，但面对较高浓度氮磷时处理效果不佳。鸟粪石法原理为镁离子、铵氮及磷酸根在适宜条件下发生沉淀反应生产磷酸铵镁沉淀，可以实现同步回收污水氮磷；但其对pH较为敏感，所适pH范围较窄，实际运行时操作要求严格；且耗碱及额外镁源，增加了回收成本；此外，由于污水中氮磷摩尔比通常较高，大部分铵氮不能回收，需要后续处理。吹脱-吸收法仅能回收污水铵氮，还存在酸、碱成本高、操作规程严格、易泄露、能耗高等问题。羟基磷灰石法仅能回收污水磷酸根，还存在碱成本高、无定型钙含量高等问题。
发明内容
针对现有技术回收污水氮磷所面临的酸碱消耗大、能耗高等缺陷，本发明首要目的是提供一种用于电化学回收污水氮磷同步制氢氧系统和方法。该装置利用电解水原理，经离子交换膜分隔，在电解腔室内自行产酸碱，用于满足污水氮磷回收的酸碱需求，同步获得氢气和氧气。
上述目的通过以下技术方案实现：
一种电化学回收污水氮磷同步制氢氧系统，包括阳极室(1)、产酸室(2)、脱盐室(3)、阴极室(4)和吸收室(5)；还包括设置在阳极室(1)与产酸室(2)之间的阳离子交换膜(8)、设置在产酸室(2)与脱盐室(3)之间的阴离子交换膜(9)、设置在脱盐室(3)与阴极室(4)之间的阳离子交换膜(10)、设置在阴极室(4)与吸收室(5)之间的透气疏水膜(11)。
所述产酸室(2)与吸收室(5)之间通过外接管路(13)经泵(15)相连通；
所述阳极室(1)、产酸室(2)及吸收室(5)中注满低浓度电解质溶液；
所述脱盐室(3)中注满盐溶液或含盐污水；
所述阴极室(4)中注入氮磷污水，包括但不限于尿液、粪污消化液、污泥消化液、养殖沼液、垃圾填埋场渗滤液、垃圾焚烧厂渗沥液、有机废水消化液、有机废物消化液等；
所述阳离子交换膜(8)、(10)均选自磺酸型、磷酸型、膦酸型、羧酸型、酚型及苯酚磺酸膜中的一种以上；
所述阴离子交换膜(9)选自季胺型、吡啶季胺型、伯胺型、仲胺型、叔胺型及混合胺型膜中的一种以上；
所述透气疏水膜(11)选自聚四氟乙烯膜、聚偏氟乙烯膜和聚乙烯膜中的一种以上；
所述阳极室(1)与阴极室(4)分别设置阳极(6)与阴极(7)，且所述阳极(6)通过外接电路与阴极(7)相连接；
所述外接电路包括外接电源(18)、导线(19)、电阻(20)和采集器(21)；
所述外接电源(18)为稳压外接电源，其用于调节该系统的电压；
所述采集器(21)为数据采集器，其用于显示该系统的电流；
所述数据采集器(21)通过导线(19)与所述电阻(20)的两端相连。
基于以上设计，该电化学回收污水氮磷同步制氢氧系统的工作方式即工艺为：
首先，根据氮回收目标产物，给阳极室(1)、产酸室(2)和吸收室(5)注满相应的低浓度铵盐电解液，给脱盐室(3)注满相应的高浓度盐水溶液；
其次，以序批方式或连续流方式往阴极室(4)注入污水并补充外加钙源，脱盐室(5)中盐水也相应地采取序批方式或连续流方式更新；
然后，通过外接电源(18)给系统加载电压，同时启动泵(15)使所产酸液在产酸室和吸收室间循环流动，系统开始运行；
最后，系统运行一定时间后，切断外接电源，停止泵，从产酸室(2)和吸收室(5)收获氮回收产物，从阴极室(4)收获磷回收产物，从气袋1(16)收获纯净氧气，从气袋2(17)收获提纯氢气。
综上，与现有传统的系统相比，本发明系统设计上的创新体现在：
1.原理方面，在传统电解脱盐产生的酸和碱的基础上，进一步利用碱性环境沉淀回收污水磷，吹脱污水铵氮；利用酸吸收游离氨；同步获得副产品氢气和氧气。
2.结构上，首创了由阳极室(1)、阳离子交换膜(8)、产酸室(2)、阴离子交换膜(9)、脱盐室(3)、阳离子交换膜(10)、阴极室(4)、透气疏水膜(11)、吸收室(5)构成的五室四膜结构，并将产酸室(2)与吸收室(5)之间通过外接管路(13)经泵(15)相连通。如此，污水直接在阴极室(4)进行处理，避免铵根和磷酸根因跨膜迁移导致的损失；磷酸根直接在阴极室(4)回收，且阴极室(4)持续产碱的高pH有助于磷酸根快速高效回收和羟基磷灰石结晶；阴极室(4)持续产碱的高pH有也助于铵根高效转化为游离氨；创造性地设计了游离氨的酸吸收室(5)，将其置于阴极室(4)旁，用透气疏水膜(11)将两室分隔，同时用泵(15)将产酸室(2)的酸液引入吸收室(5)，实现持续产酸的膜吸收游离氨，充分回收污水氮；将透气疏水膜(11)应用于系统中，实现氮回收产物和磷回收产物的分别回收，产物品质高。
以上创新使本发明带来的有益效果如下：
1.本发明利用阳极室与产酸室之间的阳离子交换膜、产酸室与脱盐室之间的阴离子交换膜，使阳极室内阳极产生的H+被保留在产酸室中，实现持续产酸作用；
2.本发明利用外部管路将产酸室与吸收室相连通，使产生的酸液进入吸收室，用于吸收从阴极室经透气疏水膜透过的游离氨；
3.本发明利用阴极室电解水的阴极电解反应，产生OH-，实现持续产碱作用；
4.本发明阴极室中加入高氮磷污水，利用阴极室产生的高碱度大量产生游离氨；同时，在外加钙源作用下，磷酸根被转化为磷酸钙沉淀，并进一步熟化成为目标回收后产物羟基磷灰石；
5.本发明利用电解脱盐原理实现了酸碱的自生产，满足了污水氮磷回收所需的酸碱需求，节约了成本投入，更为经济；
6.本发明实现了污水氮磷的同时分别回收，所得氮回收产物存在于产酸室和吸收室，磷回收产物存在于阴极室，便于后续利用；
7.本发明同步获得了副产品氢气和氧气，氢气是清洁能源，氧气是重要医工产品。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图中：
1-阳极室；2-产酸室；3-脱盐室；4-阴极室；5-吸收室；
6-阳极电极；7-阴极电极；8-阳离子交换膜1；9-阴离子交换膜；10-阳离子交换膜2；11-透气疏水膜；
12-集气管1；13-连接管；14-集气管2；15-泵；
16-气袋1；17-气袋2；
18-外接电源；19-导线；20-电阻；21-采集器。
具体实施方式
本发明提供了一种电化学回收污水氮磷同步制氢氧系统和方法：
实施例1
如图1所示，本实施例用电化学回收污水氮磷同步制氢氧系统，包括阳极室(1)、产酸室(2)、脱盐室(3)、阴极室(4)和吸收室(5)；还包括设置在阳极室(1)与产酸室(2)之间的阳离子交换膜(8)、设置在产酸室(2)与脱盐室(3)之间的阴离子交换膜(9)、设置在脱盐室(3)与阴极室(4)之间的阳离子交换膜(10)、设置在阴极室(4)与吸收室(5)之间的透气疏水膜(11)。
所述产酸室(2)与吸收室(5)之间通过外接管路(13)经泵(15)相连通；
所述阳极室(1)、产酸室(2)及吸收室(5)中注满低浓度电解质溶液；
所述脱盐室(3)中注满盐溶液或含盐污水。
所述阴极室(4)中注入氮磷污水，诸如尿液、粪污消化液、污泥消化液、养殖沼液、垃圾填埋场渗滤液、垃圾焚烧厂渗沥液、有机废水消化液、有机废物消化液等各类污水；所述阳离子交换膜(8)、(10)均选自磺酸型、磷酸型、膦酸型、羧酸型、酚型及苯酚磺酸膜中的任一种；所述阴离子交换膜(9)选自季胺型、吡啶季胺型、伯胺型、仲胺型、叔胺型及混合胺型膜中的任一种；所述透气疏水膜(11)选自聚四氟乙烯膜、聚偏氟乙烯膜和聚乙烯膜中的任一种；以上，氮磷污水种类、阳离子交换膜、阴离子交换膜、透气疏水膜，它们之间可任意适配，可替代。
所述阳极室(1)与阴极室(4)分别设置阳极(6)与阴极(7)，且所述阳极(6)通过外接电路与阴极(7)相连接；
所述外接电路包括外接电源(18)、导线(19)、电阻(20)和采集器(21)；
所述外接电源(18)为稳压外接电源，其用于调节该系统的电压；
所述采集器(21)为数据采集器，其用于显示该系统的电流；
所述数据采集器(21)通过导线(19)与所述电阻(20)的两端相连。
在外加电压(大于1.8V)作用下，机理为：阳极室产生电子、H+和氧气，电子经外电路到达阴极，H+经阳离子交换膜进入产酸室，氧气直接收集；脱盐室为产生的酸和碱分别提供阴离子和阳离子；阴极室接收电子，产OH-和氢气，OH-提升污水pH，一方面为沉淀法回收污水中的磷酸根提供碱性环境，另一方面促进铵氮转化成游离氨从污水中逸出；产酸室酸液流到吸收室后，吸收经透气疏水膜过来的游离氨，同时提纯氢气。
系统工作方式：
首先，根据氮回收目标产物，给阳极室(1)、产酸室(2)和吸收室(5)注满相应的低浓度铵盐电解液，给脱盐室(3)注满相应的高浓度盐水溶液；
其次，以序批方式或连续流方式往阴极室(4)注入污水并补充外加钙源，脱盐室(5)中盐水也相应地采取序批方式或连续流方式更新；
然后，通过外接电源(18)给系统加载电压，同时启动泵(15)使所产酸液在产酸室和吸收室间循环流动，系统开始运行；
最后，系统运行一定时间后，切断外接电源，停止泵，从阴极室(4)收获磷回收产物，从产酸室(2)和吸收室(5)收获氮回收产物，从气袋(16)收获纯净氧气，从气袋(17)收获提纯氢气。实现了污水氮磷同步回收，同步获得副产品氢气和氧气。
应用实施例2
一、系统条件
采用实施例1装置处理污泥消化液。
二、实施
以6mM(NH4)2SO4作为阳极室、产酸室及吸收室的电解液；以300mM Na2SO4作为脱盐室电解液；将污泥消化液加入阴极室中，同时加入一定量的氯化钙，作为产生羟基磷灰石的外加钙源。外接电源电压设定为4.0V。
三、效果
在上述条件稳定运行24h后，阴极室中75％左右的铵氮被回收至产酸室及吸收室内，80％的磷酸根被回收，纯净氧气从阳极室被气袋1收集，提纯氢气从吸收室被气袋2收集。
应用实施例3
一、系统条件
采用实施例1装置处理尿液。
二、实施
以6mM(NH4)2SO4作为阳极室、产酸室及吸收室的电解液；以300mM Na2SO4作为脱盐室电解液；将尿液加入阴极室中，同时加入一定量的氯化钙，作为产生羟基磷灰石的外加钙源。外接电源电压设定为4.0V。
三、效果
在上述条件稳定运行24h后，阴极室中80％左右的铵氮被回收至产酸室及吸收室内，86％的磷酸根被回收，纯净氧气从阳极室被气袋1收集，提纯氢气从吸收室被气袋2收集。
应用实施例4
一、系统条件
采用实施例1装置处理养猪沼液。
二、实施
以6mM(NH4)2SO4作为阳极室、产酸室及吸收室的电解液；以300mM Na2SO4作为脱盐室电解液；将尿液加入阴极室中，同时加入一定量的氯化钙，作为产生羟基磷灰石的外加钙源。外接电源电压设定为4.0V。
三、效果
在上述条件稳定运行24h后，阴极室中78％左右的铵氮被回收至产酸室及吸收室内，86％的磷酸根被回收，纯净氧气从阳极室被气袋1收集，提纯氢气从吸收室被气袋2收集。
上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本发明。熟悉本领域技术人员显然可以容易的对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中，而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例。本领域技术人员根据本发明的原理，不脱离本发明的范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种电化学回收污水氮磷同步制氢氧系统，其特征在于，包括阳极室(1)、产酸室(2)、脱盐室(3)、阴极室(4)和吸收室(5)；
还包括设置在阳极室(1)与产酸室(2)之间的阳离子交换膜(8)、设置在产酸室(2)与脱盐室(3)之间的阴离子交换膜(9)、设置在脱盐室(3)与阴极室(4)之间的阳离子交换膜(10)、设置在阴极室(4)与吸收室(5)之间的透气疏水膜(11)；
所述产酸室(2)与吸收室(5)之间通过外接管路(13)经泵(15)相连通；
所述阳极室(1)、产酸室(2)及吸收室(5)中注满低浓度电解质溶液；
所述脱盐室(3)中注满盐溶液或含盐污水；
所述阴极室(4)中注入氮磷污水；
所述阳极室(1)与阴极室(4)分别设置阳极(6)与阴极(7)，且所述阳极(6)通过外接电路与阴极(7)相连接；
所述外接电路包括外接电源(18)、导线(19)、电阻(20)和采集器(21)；
所述外接电源(18)为稳压外接电源，其用于调节该系统的电压；
所述采集器(21)为数据采集器，其用于显示该系统的电流；
所述数据采集器(21)通过导线(19)与所述电阻(20)的两端相连。
2.一种权利要求1系统的工艺方法，其特征在于，过程为：
首先，根据氮回收目标产物，给阳极室(1)、产酸室(2)和吸收室(5)注满相应的低浓度铵盐电解液，给脱盐室(3)注满相应的高浓度盐水；
其次，以序批方式或连续流方式往阴极室(4)注入氮磷污水并补充外加钙源，脱盐室(5)中盐水也相应地采取序批方式或连续流方式更新；
然后，通过外接电源(18)给系统加载电压，同时启动泵(15)使所产酸液在产酸室和吸收室间循环流动，系统开始运行；
最后，系统运行一定时间后，切断外接电源，停止泵(15)，从产酸室(2)和吸收室(5)收获氮回收产物，从阴极室(4)收获磷回收产物，从气袋1(16)收获纯净氧气，从气袋2(17)收获提纯氢气。
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