CN116102131B - 一种污水中磷元素回收装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种污水中磷元素回收装置及方法，通过采用通电的方式使铁元素形成亚铁离子并与废水中的磷元素合成不溶于水的蓝铁矿颗粒，可实现磷元素与污水的快速分离工作，从而使磷元素快速回收，避免了采用传统方式时对污水造成的二次污染，同时大大降低了成本投入，提高污水中磷元素回收的可行性和磷元素回收方式的适用性，并且可适用于对不同磷元素浓度的污水的净化工作；包括阳极室和盖装在阳极室顶部开口的盖板，阳极室内相对设有两个转动环，转动环上设有多个阳极体，并且转动环能够带动阳极体转动，阳极体位于阳极室内的污水中，所述阳极体的材料为纯铁。

Description

一种污水中磷元素回收装置及方法

技术领域

本发明涉及污水处理的技术领域，特别是涉及一种污水中磷元素回收装置及方法。

背景技术

污水处理是环境保护和治理工作中的重要组成部分之一，其中污水中的磷元素能够导致河道、湖泊等水源产生富营养化现象，影响植被正常生长，因此磷元素的回收效果将直接影响污水处理质量，传统的磷元素回收方式是通过向污水中添加大量化学药剂，使磷元素与药剂发生化学反应并生成固体颗粒，再使固体颗粒与污水离心分离，从而实现磷元素的回收工作，然而采用此种方式不仅容易导致污水的二次污染，并且药剂成本较高，药剂投入量无法准确控制，因此其可行性较差，为更好的实现磷元素回收，急需设计一款新型的磷元素回收装置。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种污水中磷元素回收装置及方法。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种污水中磷元素回收装置，包括阳极室和盖装在阳极室顶部开口的盖板，阳极室内相对设有两个转动环，转动环上设有多个阳极体，并且转动环能够带动阳极体转动，阳极体位于阳极室内的污水中，所述阳极体的材料为纯铁，当向阳极体通正极电时，阳极体失电子并形成亚铁离子；

两个转动环之间设有阴极室，阴极室的圆周外壁上开设有多个固定孔，固定孔内设有质子交换膜，质子交换膜能够只允许阳极室内的质子通过并进入阴极室内，所述阴极室内设有阴极体，阴极体的材料为高导电性钛板，阴极体能够吸收质子。

优选的，所述阴极室由中间环和位于中间环两侧的两个侧桶密封组成，中间环与侧桶相对转动，所述质子交换膜位于中间环上，所述阴极体固定在侧桶内壁上。

优选的，所述盖板中部设有支撑筒，支撑筒底部开设有豁口，支撑筒底部左右两侧分别与两个侧桶顶部固定连接，中间环的外壁上设有直齿环，直齿环穿过豁口，支撑筒内设有两个第一输送管，两个第一输送管均穿过侧桶并插入阴极室内，其中一个第一输送管底部位于阴极室内液面以上，另一个第一输送管底部位于阴极室内部下侧；

所述支撑筒内侧壁上固定有第一电机，第一电机输出端设有第一直齿轮，第一直齿轮与直齿环啮合连接。

优选的，所述中间环内侧壁上呈环形设置有多个双向扇叶，双向扇叶长度方向沿阴极室径线方向，双向扇叶的两端的倾斜方向相反。

优选的，支撑筒与盖板之间设有旋转套，盖板和支撑筒均与旋转套转动连接，支撑筒的外壁上套装固定有第一锥齿环，第一锥齿环位于阳极室内，支撑筒的外壁上固定有固定板，固定板位于盖板的外侧，并且固定板固定在盖板上；

所述旋转套底部相对固定有两个第一连接板，第一连接板上横向转动设有转轴，转轴的一端设有第一锥齿轮，第一锥齿轮与第一锥齿环啮合连接，转轴的另一端设有第二直齿轮，所述转动环的外壁上设置有齿，第二直齿轮与转动环上的齿啮合，所述第一连接板的底部设有支撑槽板，转动环滑动安装在支撑槽板上。

优选的，所述旋转套上相对固定有两个第二连接板，第二连接板位于阳极室内，第二连接板底部转动设置有旋转盘，旋转盘轴线与转动环轴线重合，旋转盘上设置有多个导电线，导电线与阳极体电连接，并且导电线与阳极体之间包覆有绝缘密封套。

优选的，转动环的侧壁上倾斜设有多个用于拨动污水流动的扇板。

优选的，所述盖板顶部固定有第二电机，第二电机的输出端设有第二锥齿轮，所述旋转套顶部设有第二锥齿环，第二锥齿轮与第二锥齿环啮合连接。

一种污水中磷元素回收方法，包括如下步骤：

a、通过第二输送管向阳极室内通入污水并使水位达到规定高度，通过第一输送管向阴极室内通入氯化钠电解液并使水位达到规定高度，此时阳极体和阴极体分别位于对应液体中；

b、使阳极体与阴极体分别与外接电源的正极和负极电连接；

c、对阳极体和阴极体通电，并使阳极体和阴极体之间形成单向电场，阳极体通电后发生氧化反应，其上的铁元素失电子并生成游离态的亚铁离子，游离态的亚铁离子混入污水中并与磷元素反应生成蓝铁矿，由于蓝铁矿为不溶于水的固体颗粒，蓝铁矿在污水中自然沉降；

d、质子交换膜对污水中的亚铁离子进行阻挡并允许污水中的质子通过，质子进入阴极室内并吸附在阴极体上，而阳极体上产生的电子则通过外接电路流动至阴极，阴阳极之间通过质子的定型流动，维持电荷的平衡。

与现有技术相比本发明的有益效果为：通过采用通电的方式使铁元素形成亚铁离子并与废水中的磷元素合成不溶于水的蓝铁矿颗粒，可实现磷元素与污水的快速分离工作，从而使磷元素快速回收，避免了采用传统方式时对污水造成的二次污染，同时大大降低了成本投入，提高污水中磷元素回收的可行性和磷元素回收方式的适用性，并且可适用于对不同磷元素浓度的污水的净化工作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1中阳极室仰视结构示意图；

图3是图1中盖板及其上结构的示意图；

图4是图3中转动环放大结构示意图；

图5是图4中转动环斜视结构示意图；

图6是图3中阴极室放大结构示意图；

图7是图6中阴极室剖视结构示意图；

图8是图7中双向扇叶放大结构示意图；

附图中标记：1、阳极室；2、盖板；3、转动环；4、阳极体；5、阴极室；6、质子交换膜；7、阴极体；8、中间环；9、侧桶；10、直齿环；11、支撑筒；12、第一输送管；13、第一电机；14、第一直齿轮；15、双向扇叶；16、旋转套；17、第一锥齿环；18、固定板；19、第一连接板；20、转轴；21、第一锥齿轮；22、第二直齿轮；23、支撑槽板；24、第二连接板；25、旋转盘；26、导电线；27、绝缘密封套；28、扇板；29、第二电机；30、第二锥齿轮；31、第二锥齿环；32、第二输送管；33、集料桶；34、排料管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本发明的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。本实施例采用递进的方式撰写。

如图1至图7所示，本发明的一种污水中磷元素回收装置，包括阳极室1和盖装在阳极室1顶部开口的盖板2，阳极室1内相对设有两个转动环3，转动环3上设有多个阳极体4，并且转动环3能够带动阳极体4转动，阳极体4位于阳极室1内的污水中，所述阳极体4的材料为纯铁，当向阳极体4通正极电时，阳极体4失电子并形成亚铁离子；

两个转动环3之间设有阴极室5，阴极室5的圆周外壁上开设有多个固定孔，固定孔内设有质子交换膜6，质子交换膜6能够只允许阳极室1内的质子通过并进入阴极室5内，所述阴极室5内设有阴极体7，阴极体7的材料为高导电性钛板，阴极体7能够吸收质子。

具体的，阳极室1内存储含有磷元素的污水，阴极室5内存储作为电解液的氯化钠溶液，阳极体4位于污水中，并且阳极体4与转动环3之间通过绝缘板连接，阴极体7插入氯化钠溶液中，阴极室5位于阳极室1内部上侧，阴极室5的顶部裸露在阳极室1内水面以上，通过转动环3带动其上多个阳极体4转动，可以使多个阳极体4能够在污水中移动，从而使阳极体4上失电子游离出的亚铁离子全面分布在阳极室1内的污水中，避免电极处局部离子浓度过高或过低时，因浓度差异过大而产生极化现象，提高了液体中离子浓度的均匀性，并且方便使离子快速在液体中分散。

在使用时，使阳极体4、阴极体7均与外界电源电连接，并且阳极体4接正极，阴极体7接负极，通电后，阳极体4上的铁元素失电子并形成游离态的亚铁离子混入污水中，亚铁离子可与污水中的磷元素结合形成蓝铁矿，蓝铁矿自然沉降至阳极室1底部，从而实现磷元素与污水的分离，实现磷元素的回收工作，同时阳极体4分离出的质子经质子交换膜6进入阴极室5，质子交换膜6具有高导电性，阴极室5内的质子移动至阴极体7上，而阳极体4上的电子经由外部电路从阳极流向阴极。

在磷元素回收的过程中，外接电源施加给设备一个稳定电场，从而间接控制铁的溶出速率，在低磷污水中，也能够形成稳定的恒压电流，同时在高磷废水中，通过可控性电压，改变电流强度，以达到在短时间内就可以将磷去除完全的目的，实现在高磷废水中也能快速的去除磷元素的工作，同时也可增设氮气管道，从而向设备内通入氮气，削弱浓差极化现象对电解反应的影响，并且排除溶液中的氧气，提高蓝铁矿的纯度。

在阳极室1上连通设有两个第二输送管32，其中一个第二输送管32用于进水，另一个阳极室1用于排水，所述阳极室1底部连通设有集料桶33，集料桶33的形状为锥形，所述集料桶33底部偏心连通设有排料管34，集料桶33和排料管34用于对沉降的蓝铁矿进行收集。

通过采用通电的方式使铁元素形成亚铁离子并与废水中的磷元素合成不溶于水的蓝铁矿颗粒，可实现磷元素与污水的快速分离工作，从而使磷元素快速回收，避免了采用传统方式时对污水造成的二次污染，同时大大降低了成本投入，提高污水中磷元素回收的可行性和磷元素回收方式的适用性，并且可适用于对不同磷元素浓度的污水的净化工作。

优选的，如图6所示，所述阴极室5由中间环8和位于中间环8两侧的两个侧桶9密封组成，中间环8与侧桶9相对转动，所述质子交换膜6位于中间环8上，所述阴极体7固定在侧桶9内壁上。

具体的，中间环8能够带动其上的多个质子交换膜6进行圆周转动，从而使质子交换膜6在阳极室1内的污水中移动，方便使质子交换膜6对阳极室1内不同位置的质子进行捕捉，方便使污水中的质子快速穿过质子交换膜6并进入阴极室5内，并且避免了质子在阳极室1内污水中的浓度差，提高阳极体4和阴极体7之间质子交换效率，从而提高了亚铁离子的生成效率，提高磷元素回收效果，同时由于中间环8可带动质子交换膜6转动，并且阴极室5顶部位于阳极室1内液面以上，当需要对质子交换膜6进行更换时，可将质子交换膜6移动至阴极室5的顶部，以方便拆卸和更换。

通过采用该方式，可有效避免因阳极体4和阴极体7之间电压差过大而导致水分子发生大量电解现象。

优选的，如图6至图7所示，所述盖板2中部设有支撑筒11，支撑筒11底部开设有豁口，支撑筒11底部左右两侧分别与两个侧桶9顶部固定连接，中间环8的外壁上设有直齿环10，直齿环10穿过豁口，支撑筒11内设有两个第一输送管12，两个第一输送管12均穿过侧桶9并插入阴极室5内，其中一个第一输送管12底部位于阴极室5内液面以上，另一个第一输送管12底部位于阴极室5内部下侧；

所述支撑筒11内侧壁上固定有第一电机13，第一电机13输出端设有第一直齿轮14，第一直齿轮14与直齿环10啮合连接。

具体的，支撑筒11可对阴极室5进行支撑，第一电机13可通过第一直齿轮14带动直齿环10和中间环8转动，从而使阴极室5内的中间环8和侧桶9相对转动，两个第一输送管12中位于阴极室5液面以上的第一输送管12用于使阴极室5内的空气排出或使外界空气进入阴极室5内，而另一个第一输送管12用于向阴极室5内排水或将第一输送管12内的水抽离。

优选的，如图7至图8所示，所述中间环8内侧壁上呈环形设置有多个双向扇叶15，双向扇叶15长度方向沿阴极室5径线方向，双向扇叶15的两端的倾斜方向相反。

具体的，中间环8转动时可带动其上多个双向扇叶15转动，从而使双向扇叶15搅动阴极室5内的液体旋转流动，同时由于双向扇叶15两端的倾斜方向相反，从而使双向扇叶15推动阴极室5内的液体在两个侧桶9之间流动，实现阴极室5内液体的全面搅动工作。

优选的，如图1至图7所示，支撑筒11与盖板2之间设有旋转套16，盖板2和支撑筒11均与旋转套16转动连接，支撑筒11的外壁上套装固定有第一锥齿环17，第一锥齿环17位于阳极室1内，支撑筒11的外壁上固定有固定板18，固定板18位于盖板2的外侧，并且固定板18固定在盖板2上；

所述旋转套16底部相对固定有两个第一连接板19，第一连接板19上横向转动设有转轴20，转轴20的一端设有第一锥齿轮21，第一锥齿轮21与第一锥齿环17啮合连接，转轴20的另一端设有第二直齿轮22，所述转动环3的外壁上设置有齿，第二直齿轮22与转动环3上的齿啮合，所述第一连接板19的底部设有支撑槽板23，转动环3滑动安装在支撑槽板23上。

具体的，第一连接板19和支撑槽板23可对转动环3进行支撑和固定，固定板18用于将支撑筒11固定在盖板2上，从而使旋转套16能够在盖板2和支撑筒11之间转动，旋转套16可通过第一连接板19带动第一锥齿轮21在第一锥齿环17上滚动，第一锥齿轮21可通过转轴20带动第二直齿轮22转动，第二直齿轮22带动转动环3转动，从而使转动环3进行自转运动，同时由于旋转套16转动，旋转套16可通过第一连接板19可支撑槽板23带动转动环3围绕支撑筒11轴线进行圆周运动，从而使转动环3带动其上的多个阳极体4移动，阳极体4可将分离出的亚铁离子全面均匀散步在阳极室1内的污水中，从而方便对污水中的磷元素进行全面回收，提高磷元素回收效果，转动环3能够在支撑槽板23上滑动。

优选的，如图4所示，所述旋转套16上相对固定有两个第二连接板24，第二连接板24位于阳极室1内，第二连接板24底部转动设置有旋转盘25，旋转盘25轴线与转动环3轴线重合，旋转盘25上设置有多个导电线26，导电线26与阳极体4电连接，并且导电线26与阳极体4之间包覆有绝缘密封套27。

具体的，阳极体4可通过导电线26和旋转盘25能够与外接电源电连接，从而使外接电源能够平稳的对移动状态的阳极体4进行供电，阳极体4跟随转动环3移动时，阳极体4可通过导电线26带动旋转盘25在第二连接板24上转动，同时旋转盘25可采用电刷的方式与外接电源连接。

优选的，如图4所示，转动环3的侧壁上倾斜设有多个用于拨动污水流动的扇板28。

具体的，所述支撑槽板23对所述转动环3采用半包覆连接方式，从而使转动环3的部分外壁裸露在支撑槽板23的外侧，方便阳极体4与转动环3、扇板28与转动环3连接，当扇板28跟随转动环3转动时，扇板28可搅动阳极室1内的污水流动，从而提高磷元素与亚铁离子的结合效率和分布均匀性，同时方便使污水中的气体快速上浮排出。

优选的，如图6所示，所述盖板2顶部固定有第二电机29，第二电机29的输出端设有第二锥齿轮30，所述旋转套16顶部设有第二锥齿环31，第二锥齿轮30与第二锥齿环31啮合连接。

具体的，第二电机29能够通过第二锥齿轮30和第二锥齿环31带动旋转套16转动，从而带动设备运行。

一种污水中磷元素回收方法，包括如下步骤：

a、通过第二输送管32向阳极室1内通入污水并使水位达到规定高度，通过第一输送管12向阴极室5内通入氯化钠电解液并使水位达到规定高度，此时阳极体4和阴极体7分别位于对应液体中；

b、使阳极体4与阴极体7分别与外接电源的正极和负极电连接；

c、对阳极体4和阴极体7通电，并使阳极体4和阴极体7之间形成单向电场，阳极体4通电后发生氧化反应，其上的铁元素失电子并生成游离态的亚铁离子，游离态的亚铁离子混入污水中并与磷元素反应生成蓝铁矿，由于蓝铁矿为不溶于水的固体颗粒，蓝铁矿在污水中自然沉降；

d、质子交换膜6对污水中的亚铁离子进行阻挡并允许污水中的质子通过，质子进入阴极室5内并吸附在阴极体7上，而阳极体4上产生的电子则通过外接电路流动至阴极，阴阳极之间通过质子的定型流动，维持电荷的平衡。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种污水中磷元素回收装置，其特征在于，包括阳极室（1）和盖装在阳极室（1）顶部开口的盖板（2），阳极室（1）内相对设有两个转动环（3），转动环（3）上设有多个阳极体（4），并且转动环（3）能够带动阳极体（4）转动，阳极体（4）位于阳极室（1）内的污水中，所述阳极体（4）的材料为纯铁，当向阳极体（4）通正极电时，阳极体（4）失电子并形成亚铁离子；

两个转动环（3）之间设有阴极室（5），阴极室（5）的圆周外壁上开设有多个固定孔，固定孔内设有质子交换膜（6），质子交换膜（6）能够只允许阳极室（1）内的质子通过并进入阴极室（5）内，所述阴极室（5）内设有阴极体（7），阴极体（7）的材料为高导电性钛板，阴极体（7）能够吸收质子；

所述阴极室（5）由中间环（8）和位于中间环（8）两侧的两个侧桶（9）密封组成，中间环（8）与侧桶（9）相对转动，所述质子交换膜（6）位于中间环（8）上，所述阴极体（7）固定在侧桶（9）内壁上；

所述盖板（2）中部设有支撑筒（11），支撑筒（11）底部开设有豁口，支撑筒（11）底部左右两侧分别与两个侧桶（9）顶部固定连接，中间环（8）的外壁上设有直齿环（10），直齿环（10）穿过豁口，支撑筒（11）内设有两个第一输送管（12），两个第一输送管（12）均穿过侧桶（9）并插入阴极室（5）内，其中一个第一输送管（12）底部位于阴极室（5）内液面以上，另一个第一输送管（12）底部位于阴极室（5）内部下侧；

所述支撑筒（11）内侧壁上固定有第一电机（13），第一电机（13）输出端设有第一直齿轮（14），第一直齿轮（14）与直齿环（10）啮合连接。

2.如权利要求1所述的一种污水中磷元素回收装置，其特征在于，所述中间环（8）内侧壁上呈环形设置有多个双向扇叶（15），双向扇叶（15）长度方向沿阴极室（5）径线方向，双向扇叶（15）的两端的倾斜方向相反。

3.如权利要求2所述的一种污水中磷元素回收装置，其特征在于，支撑筒（11）与盖板（2）之间设有旋转套（16），盖板（2）和支撑筒（11）均与旋转套（16）转动连接，支撑筒（11）的外壁上套装固定有第一锥齿环（17），第一锥齿环（17）位于阳极室（1）内，支撑筒（11）的外壁上固定有固定板（18），固定板（18）位于盖板（2）的外侧，并且固定板（18）固定在盖板（2）上；

所述旋转套（16）底部相对固定有两个第一连接板（19），第一连接板（19）上横向转动设有转轴（20），转轴（20）的一端设有第一锥齿轮（21），第一锥齿轮（21）与第一锥齿环（17）啮合连接，转轴（20）的另一端设有第二直齿轮（22），所述转动环（3）的外壁上设置有齿，第二直齿轮（22）与转动环（3）上的齿啮合，所述第一连接板（19）的底部设有支撑槽板（23），转动环（3）滑动安装在支撑槽板（23）上。

4.如权利要求3所述的一种污水中磷元素回收装置，其特征在于，所述旋转套（16）上相对固定有两个第二连接板（24），第二连接板（24）位于阳极室（1）内，第二连接板（24）底部转动设置有旋转盘（25），旋转盘（25）轴线与转动环（3）轴线重合，旋转盘（25）上设置有多个导电线（26），导电线（26）与阳极体（4）电连接，并且导电线（26）与阳极体（4）之间包覆有绝缘密封套（27）。

5.如权利要求4所述的一种污水中磷元素回收装置，其特征在于，转动环（3）的侧壁上倾斜设有多个用于拨动污水流动的扇板（28）。

6.如权利要求5所述的一种污水中磷元素回收装置，其特征在于，所述盖板（2）顶部固定有第二电机（29），第二电机（29）的输出端设有第二锥齿轮（30），所述旋转套（16）顶部设有第二锥齿环（31），第二锥齿轮（30）与第二锥齿环（31）啮合连接。

7.如权利要求6所述的一种污水中磷元素回收装置的方法，其特征在于，包括如下步骤：

a、通过第二输送管（32）向阳极室（1）内通入污水并使水位达到规定高度，通过第一输送管（12）向阴极室（5）内通入氯化钠电解液并使水位达到规定高度，此时阳极体（4）和阴极体（7）分别位于对应液体中；

b、使阳极体（4）与阴极体（7）分别与外接电源的正极和负极电连接；

c、对阳极体（4）和阴极体（7）通电，并使阳极体（4）和阴极体（7）之间形成单向电场，阳极体（4）通电后发生氧化反应，其上的铁元素失电子并生成游离态的亚铁离子，游离态的亚铁离子混入污水中并与磷元素反应生成蓝铁矿，由于蓝铁矿为不溶于水的固体颗粒，蓝铁矿在污水中自然沉降；

d、质子交换膜（6）对污水中的亚铁离子进行阻挡并允许污水中的质子通过，质子进入阴极室（5）内并吸附在阴极体（7）上，而阳极体（4）上产生的电子则通过外接电路流动至阴极，阴阳极之间通过质子的定型流动，维持电荷的平衡。

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