TWI641558B - 從污水中分離回收鳥糞石的系統 - Google Patents

Abstract

本發明公開一種從污水中分離回收鳥糞石的系統，其包括一電化學反應單元、一擾動單元、一循環輸送單元以及一收集單元。電化學反應單元包括一雙層反應槽以及一電極組件，雙層反應槽包括一內槽以及一包圍內槽的外槽，且電極組件設置於內槽，當雙層反應槽容納有污水時，電極組件能於內槽中進行電化學反應，並生成鳥糞石固體產物於外槽；擾動單元用於擾動外槽中的污水，以避免鳥糞石固體產物發生沉澱；收集單元通過循環輸送單元與外槽相互連接，其中循環輸送單元用於使污水循環流動於電化學反應單元與收集單元之間，並使高純度鳥糞石固體產物沉降於收集單元。

Description

從污水中分離回收鳥糞石的系統

本發明涉及一種生活污水處理系統，特別是涉及一種從污水中分離回收鳥糞石的系統。

按，磷資源屬於不可再生的資源，並且將於本世紀中葉面臨枯竭。磷資源主要用於糧食產業(占大多數)及國防工業，當磷資源匱乏時會嚴重影響到糧食供給，再加上全球磷資源分布不均，所以為了實現磷資源的循環利用，從污水中回收磷是現階段首要的任務。

基於各方面的優勢，鳥糞石(磷酸氨鎂)被公認是最有前景的磷回收途徑，例如當溶液中含有Mg²⁺、NH⁴⁺、H_nPO^n-3且其等的離子濃度積大於鳥糞石的溶度積常數時，便會自發沉澱而形成鳥糞石，反應式如下：Mg²⁺+PO₄ ^3-+NH₄ ⁺+6H₂O→MgNH₄PH₄‧6H₂O；Mg²⁺+HPO₄ ^2-+NH₄ ⁺+6H₂O→MgNH₄PH₄‧6H₂O+H⁺；Mg²⁺+H₂PO₄ ^3-+NH₄ ⁺+6H₂O→MgNH₄PO₄‧6H₂O+2H⁺。而回收的鳥糞石又可以直接作為緩釋肥或在肥料生產中被使用。

現有技術中，第CN12167434A號專利申請案揭示一種投加鎂鹽從尿液中回收鳥糞石的技術方案，第EP2005/053291號專利申請案揭示一種投加沉澱劑從糞尿混合廢水中回收鳥糞石的技術方案，第CN103732546B號專利案揭示一種以海水作為鎂源從尿液中回收鳥糞石的技術方案。此等技術方案雖然能處理各種廢水， 但是亦存在處理成本高、處理困難、操作維護不便、脫除效率低、回收純度低等缺點。

本發明所要解決的技術問題在於，針對現有技術的不足提供一種利用電化學沉澱法從污水中分離回收鳥糞石的系統，其能有效提高回收鳥糞石的純度，以便後續利用。

為了解決上述的技術問題，本發明所採用的技術方案是：一種從污水中分離回收鳥糞石的系統，其包括一電化學反應單元、一擾動單元、一循環輸送單元以及一收集單元。該電化學反應單元包括一雙層反應槽以及一電極組件，該雙層反應槽包括一內槽以及一包圍該內槽的外槽，且該電極組件設置於該內槽，其中當該雙層反應槽容納有污水時，該電極組件能於該內槽中進行電化學反應，並生成鳥糞石固體產物於該外槽；該擾動單元用於擾動該外槽中的該污水，以避免該鳥糞石固體產物發生沉澱；該收集單元通過該循環輸送單元與該外槽相互連接，其中該循環輸送單元用於使該污水循環流動於該電化學反應單元與該收集單元之間，並使該鳥糞石固體產物沉降於該收集單元。

更進一步地，該內槽的槽底與該外槽的槽底相隔一第一預定距離，該內槽的周壁與該外槽的周壁相隔一第二預定距離，且該第一預定距離與該第二預定距離的比值為1：2。

更進一步地，該內槽用於收集該電極組件於進行電化學反應時所產生的電極腐蝕物。

更進一步地，該外槽具有一第一進水口以及一第一出水口，該收集單元具有一第二進水口以及一第二出水口，該循環輸送單元包括一連接於該第一進水口與該第二出水口之間的第一方向輸送管、一連接於該第一出水口與該第二進水口之間的第二方向輸送管以及一接設於該第二方向輸送管上的循環幫浦。

更進一步地，該第一方向輸送管與該第二方向輸送管各為一 蠕動軟管，該循環幫浦為一蠕動幫浦。

更進一步地，該第一出水口與該第一進水口各自距該外槽槽底的距離比為1：5~5.5，該第二進水口與該第二出水口各自距該收集單元底部的距離比為1：5~5.5。

更進一步地，該第一進水口的位置高於該內槽的槽頂位置，該第一出水口的位置低於該內槽的槽底位置。

更進一步地，該電極組件包括相對設置的一陽極電極以及一陰極電極，該陽極電極為一鎂合金電極，該陰極電極為一石墨電極。

更進一步地，該擾動單元為一磁石攪拌裝置或一聲波震盪裝置。

更進一步地，該擾動單元設置於該外槽的槽底或周壁。

本發明的有益效果在於，本發明技術方案所提供的從污水中分離回收鳥糞石的系統，其通過“電化學反應單元包括一雙層反應槽以及一電極組件，其中電極組件能於雙層反應槽的內槽中進行電化學反應，並生成鳥糞石固體產物於雙層反應槽的外槽”以及“收集單元通過一循環輸送單元與雙層反應槽的外槽相互連接”的技術特徵，在反應階段便能將鳥糞石固體產物與電極腐蝕物有效分離，以提高產物的純度，後續不需要額外的分離處理。

為使能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明的詳細說明與附圖，然而所提供的附圖僅用於提供參考與說明，並非用來對本發明加以限制。

Z‧‧‧系統

1‧‧‧電化學反應單元

11‧‧‧雙層反應槽

111‧‧‧內槽

112‧‧‧外槽

1121‧‧‧第一進水口

1122‧‧‧第一出水口

12‧‧‧電極組件

121‧‧‧陽極電極

122‧‧‧陰極電極

2‧‧‧擾動單元

3‧‧‧循環輸送單元

31‧‧‧第一方向輸送管

32‧‧‧第二方向輸送管

33‧‧‧循環幫浦

4‧‧‧收集單元

41‧‧‧第二進水口

42‧‧‧第二出水口

L1‧‧‧第一預定距離

L2‧‧‧第二預定距離

圖1為本發明的從污水中分離回收鳥糞石的系統的架構圖。

圖2顯示根據本發明的回收鳥糞石與商用鳥糞石的掃描式電子顯微鏡照片。

圖3為根據本發明的回收鳥糞石與商用鳥糞石的成分分析圖。

圖4為鳥糞石的純度隨反應時間的變化圖。

由於地球上的磷資源分佈不均且正在逐漸枯竭，本發明提出一種從污水中分離回收鳥糞石的系統，以兼顧磷資源的循環利用與水污染防制。以下是通過特定的具體實施例來說明本發明所公開有關“從污水中分離回收鳥糞石的系統”的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所公開的內容瞭解本發明的優點與效果。本發明可通過其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節也可基於不同觀點與應用，在不悖離本發明的精神下進行各種修飾與變更。另外，本發明的附圖僅為簡單示意說明，並非依實際尺寸的描繪，事先聲明。以下的實施方式將進一步詳細說明本發明的相關技術內容，但所公開的內容並非用以限制本發明的保護範圍。

請參閱圖1所示，為本發明一較佳實施例的從污水中分離回收鳥糞石的系統的示意圖。本系統Z包括一電化學反應單元1、一擾動單元2、一循環輸送單元3以及一收集單元4。電化學反應單元1能利用電化學沉澱法(electrochemical precipitation)從待處理的污水中分離出鳥糞石，這裡提到的“污水”，可以是由工業工廠、食品工廠、家庭污水、或垃圾掩埋場所產生的富含磷、氮的有機污水，但並不限定於此。擾動單元2能使污水保持擾動，以避免鳥糞石發生沉澱。循環輸送單元3能使污水在電化學反應單元1與收集單元4之間循環，且過程中鳥糞石會因重力作用而直接沉降於收集單元4。

本實施例中，電化學反應單元1包括一雙層反應槽11以及一電極組件12。雙層反應槽11包括一內槽111以及一包圍內槽111的外槽112，內槽111與外槽112均呈矩形狀，其中內槽111槽底與外槽112槽底相隔一預定距離L1，內槽111周壁與外槽112周壁亦相隔一預定距離L2，而預定距離L1與預定距離L2的比值較佳可以是1：2，但並不限定於此。

電極組件12包括相對設置的一陽極電極121以及一陰極電極122，陽極電極121與陰極電極122各包括一反應部分與一非反應部分，其中非反應部分被固定在外槽112上，反應部分則從外槽112槽頂延伸至內槽111中。陽極電極121可以是一鎂合金電極，且較佳是以鎂合金廢料(如AZ91D鎂合金壓鑄廢料)製成者，以達到充分利用廢料並降低成本的功效，而陰極電極122可以是一石墨電極。

值得注意的是，當雙層反應槽11容納有污水時，電極組件12能於內槽111中的空間進行電化學反應，而在反應中生成的鳥糞石固體產物能藉由大量微小氣泡的氣浮作用流出至外槽112，且伴隨反應產生的電極腐蝕物能利用內槽111予以收集。如此設計，在反應階段便能將鳥糞石固體產物與電極腐蝕物有效分離，以提高產物的純度，後續不需要額外的分離處理。

實務上，可以在內槽111設置一檢測單元(圖中未顯示)，用以進行待處理的污水的水質狀況與環境條件的檢測。檢測單元可包括多個不同種類的感測元件，例如溫度感測器、酸鹼值感測器及濃度感測器等，溫度感測器能測出水的溫度，酸鹼值感測器能測出水的酸鹼值，濃度感測器能測出水中氮和磷的濃度。然而，檢測單元所包括感測元件的種類並不限定於此。

擾動單元2可以是一磁石攪拌裝置，且設置於外槽112的槽底，以在反應中通過磁力控制磁石旋轉，旋轉速度可以根據槽體的設計做調整，例如旋轉速度可介於300rpm至900rpm之間，藉此擾動外槽112中的污水。或者，擾動單元2可包括一或多個聲波震盪裝置，且可設置於外槽112的槽底或周壁，以在反應中通過適當頻率的聲波震盪來擾動外槽112中的污水。然而，擾動單元2的種類並不限定於此。

收集單元4通過循環輸送單元3與電化學反應單元1相互連接，即循環輸送單元3在電化學反應單元1與收集單元4之間形 成循環迴路。具體地說，外槽112具有一第一進水口1121以及一第一出水口1122，其中第一進水口1121的位置高於內槽111槽頂的開口位置，第一出水口1122的位置低於內槽111的槽底位置。收集單元4可以是一收集槽，且具有一第二進水口41以及一第二出水口42，其中第二出水口42的位置高於第二進水口41的位置。循環輸送單元3包括一第一方向輸送管31、一第二方向輸送管32以及一循環幫浦33，其中第一方向輸送管31連接於第一進水口1121與第二出水口42之間，第二方向輸送管32連接於第一出水口1122與第二進水口41之間，循環幫浦33接設於第二方向輸送管32上，用以使第一和第二方向輸送管31、32中污水的流動方向相反。

實務上，第一方向輸送管31與第二方向輸送管32各可以是一蠕動軟管，循環幫浦33可以是一蠕動幫浦，但並不限定於此。另外，第一出水口1122與第一進水口1121各自距外槽112槽底的距離比值可以是1：5~5.5，第二進水口41與第二出水口42各自距收集單元4底部的距離比值可以是1：5~5.5，但並不限定於此。

請參閱圖2及圖3，圖2顯示根據本發明的回收鳥糞石與商用鳥糞石的掃描式電子顯微鏡(SEM)照片，圖3為根據本發明的回收鳥糞石與商用鳥糞石的成分分析圖。如上述圖所示，利用本系統Z從污水中回收得到的鳥糞石，與商用鳥糞石具有相似的晶體結構與組成比例，由此可證明，本系統Z能從污水中充分回收磷、氮資源，進而能實現磷、氮資源的循環利用。

請再參閱圖4所示，分別為利用本系統Z的實驗例與在相同架構下改以單層反應槽進行電化學反應的比較例，在相同條件(如溫度、壓力及擾動參數等)下從污水中回收鳥糞石，記錄反應時間與鳥糞石的純度。結果證明本系統於反應階段利用雙層反應槽，並通過比重不同的差異將鳥糞石固體產物與電極腐蝕物分離收集，對於提高產物濃度有很大的助益。

[實施例的有益效果]

本發明的有益效果在於，本發明實施例所提供的從污水中分離回收鳥糞石的系統，其通過“電化學反應單元包括一雙層反應槽以及一電極組件，其中電極組件能於雙層反應槽的內槽中進行電化學反應，並生成鳥糞石固體產物於雙層反應槽的外槽”以及“收集單元通過一循環輸送單元與雙層反應槽的外槽相互連接”的技術特徵，在反應階段便能將鳥糞石固體產物與電極腐蝕物有效分離，以提高產物的純度，後續不需要額外的分離處理。

承上所述，本系統可使用鎂合金廢料(如AZ91D鎂合金壓鑄廢料)製成的陽極電極來進行反應，以達到充分利用廢料並降低成本的功效。

再者，由本系統從污水中回收得到的鳥糞石與商用鳥糞石具有相似的晶體結構與組成比例，因此可以直接被利用，省去了後續處理的問題。

以上所公開的內容僅為本發明的優選可行實施例，並非因此侷限本發明的申請專利範圍，所以凡是運用本發明說明書及附圖內容所做的等效技術變化，均包含於本發明的申請專利範圍內。

Claims (10)

1. 一種從污水中分離回收鳥糞石的系統，包括：一電化學反應單元，包括一雙層反應槽以及一電極組件，該雙層反應槽包括一內槽以及一包圍該內槽的外槽，且該電極組件設置於該內槽，其中當該雙層反應槽容納有污水時，該電極組件能在該內槽中進行電化學反應，而在電化學反應中生成的一鳥糞石固體產物能藉由大量微小氣泡的氣浮作用流出至該外槽，且伴隨電化學反應產生的一電極腐蝕物能利用該內槽予以收集；一擾動單元，其設置於該外槽的槽底或周壁，用於擾動該外槽中的該污水，以避免該鳥糞石固體產物發生沉澱；以及一收集單元，通過一循環輸送單元與該外槽相互連接，其中該循環輸送單元用於使該污水循環流動於該電化學反應單元與該收集單元之間，並使該鳥糞石固體產物沉降於該收集單元。
2. 如請求項1所述的從污水中分離回收鳥糞石的系統，其中，該內槽的槽底與該外槽的槽底相隔一第一預定距離，該內槽的周壁與該外槽的周壁相隔一第二預定距離，且該第一預定距離與該第二預定距離的比值為1：2。
3. 如請求項1所述的從污水中分離回收鳥糞石的系統，其中，該內槽用於收集該電極組件於進行電化學反應時所產生的電極腐蝕物。
4. 如請求項1所述的從污水中分離回收鳥糞石的系統，其中，該外槽具有一第一進水口以及一第一出水口，該收集單元具有一第二進水口以及一第二出水口，該循環輸送單元包括一連接於該第一進水口與該第二出水口之間的第一方向輸送管、一連接於該第一出水口與該第二進水口之間的第二方向輸送管以及 一接設於該第二方向輸送管上的循環幫浦。
5. 如請求項4所述的從污水中分離回收鳥糞石的系統，其中，該第一方向輸送管與該第二方向輸送管各為一蠕動軟管，該循環幫浦為一蠕動幫浦。
6. 如請求項4所述的從污水中分離回收鳥糞石的系統，其中，該第一出水口與該第一進水口各自距該外槽槽底的距離比為1：5~5.5，該第二進水口與該第二出水口各自距該收集單元底部的距離比為1：5~5.5。
7. 如請求項6所述的從污水中分離回收鳥糞石的系統，其中，該第一進水口的位置高於該內槽的槽頂位置，該第一出水口的位置低於該內槽的槽底位置。
8. 如請求項1所述的從污水中分離回收鳥糞石的系統，其中，該電極組件包括相對設置的一陽極電極以及一陰極電極，該陽極電極為一鎂合金電極，該陰極電極為一石墨電極。
9. 如請求項1所述的從污水中分離回收鳥糞石的系統，其中，該擾動單元為一磁石攪拌裝置或一聲波震盪裝置。
10. 如請求項9所述的從污水中分離回收鳥糞石的系統，其中，該擾動單元設置於該外槽的槽底或周壁。