申请日2016.04.22
公开(公告)日2016.09.14
IPC分类号C02F1/461; C02F9/06
摘要
本实用新型公开了一种用于回收废水氮磷的装置及方法，其中装置主要包括双室反应器、质子交换膜、曝气管、曝气泵、恒流电源、阳极含镁电极板、阴极惰性电极板、搅拌机、pH计、计算机、排水泵、氨吹脱池、氨吸收装置、氨氮在线测试装置、密封垫圈、夹持装置和排水管。利用该装置回收废水氮磷的方法是利用镁阳极电化学反应，提供阳极室磷酸铵镁结晶所需的镁源和pH条件，并结合质子交换膜，克服阴极室pH提升干扰阳极室磷酸铵镁结晶过程，氨吹脱池和氨吸收装置充分利用电化学反应过后的阴阳极室水体混合液高pH碱性条件回收废水剩余氨氮，从而实现高氮磷比废水(NH4+‑N:PO43‑‑P摩尔比大于1:1)氮磷回收效率最大化。
权利要求书
1.一种用于回收废水氮磷的装置，其特征在于，包括双室反应器(1)，质子交换膜(2)，曝气管(3)，曝气泵(4)，恒流电源(5)，含镁电极板(6)，惰性电极板(7)，搅拌机(8)，pH计(9)，计算机(10)，排水泵(11)，氨吹脱池(12)，氨吸收装置(13)，氨氮在线测试装置(14)，密封垫圈(15)，夹持装置(16)，长方形孔(17)，进水口(18)，出水口(19)和排水管(20);
所述的双室反应器(1)由侧壁相贴的阳极室和阴极室构成，二者的接触侧壁壁面大小相同，中部开有长方形孔(17)，该接触侧壁间通过夹持装置(16)夹装质子交换膜(2)，质子交换膜(2)两侧与阳极室和阴极室接触处设置密封垫圈(15)，阳极室与阴极室均开有进水口(18)和出水口(19)，阴极室和阳极室内的废水可经过出水口(19)、排水管(20)及排水泵(11)排入氨吹脱池(12);搅拌机(8)的搅拌桨浸没在阳极室的水体中，pH计(9)探头浸没在阳极室水体中，含镁电极板(6)置于阳极室水体中，与恒流电源(5)的正极相连作为阳极板，惰性电极板(7)放入阴极室水体中，与恒流电源(5)的负极相连作为阴极板;曝气管(3)一端连接曝气泵(4)，另一端通在氨吹脱池(12)中，氨吹脱池(12)中置有氨氮在线测试装置(14)，吹脱出的含氨气体通入氨吸收装置(13);计算机(10)与曝气泵(4)、恒流电源(5)、搅拌机(8)、pH计(9)、排水泵(11)、氨氮在线测试装置(14)分别相连。
2.根据权利要求1所述的用于回收废水氮磷的装置，其特征在于，所述的夹持装置(16)夹装质子交换膜(2)的方式是通过法兰螺栓，或法兰U型夹依次夹装阳极室侧壁及该侧密封垫圈(15)、质子交换膜(2)、另一密封垫圈(15)及阴极室侧壁。
3.根据权利要求1所述的用于回收废水氮磷的装置，其特征在于，所述的长方形孔(17)，其各边长为阳极室与阴极室接触侧壁壁面对应边长的0.65～0.85倍。
4.根据权利要求1所述的用于回收废水氮磷的装置，其特征在于，所述的密封垫圈(15)的外圈边长为阳极室与阴极室接触侧壁壁面对应边长的1～1.2倍，密封垫圈(15)的内圈边长为阳极室与阴极室接触侧壁壁面长方形孔(17)对应边长的1～1.2倍。
5.根据权利要求1所述的用于回收废水氮磷的装置，其特征在于，所述的质子交换膜(2)为长方形，其边长为密封垫圈(15)内圈对应边长的1.1～1.2倍。
6.根据权利要求1所述的用于回收废水氮磷的装置，其特征在于，所述的含镁电极板(6)中镁质量百分数达95%及以上。
说明书
用于回收废水氮磷的装置
技术领域
本实用新型涉及一种用于废水处理的装置，尤其涉及一种用于回收废水氮磷的装置，结合了废水电化学沉淀与氨吹脱的两种工艺，属于废水化学处理领域。
背景技术
氮磷是废水中常见污染物，也是水体富营养化的直接诱因，废水排放之前需要脱氮除磷处理。然而，氮磷是植物生长所需营养元素，而且磷矿资源在全球范围内日渐缺少，回收废水氮磷在水污染控制、资源循环利用等方面具有重要的实际意义。目前废水氮磷回收的方法，以化学法为主，按照功能主要分为：(1)单独回收氮或磷的方法，如氨吹脱与吸收液吸收的方法回收废水氨氮，投加钙盐或铁盐通过磷酸钙、磷酸铁等结晶沉淀回收废水磷;(2)同时回收氮磷的方法，如投加镁盐，促进废水铵根、磷酸根和镁离子形成磷酸铵镁结晶沉淀的方法。就污染物去除及氮磷资源回收的功能而言，磷酸铵镁结晶沉淀法可同时回收氮磷元素，更具有优势。另外，磷酸铵镁结晶沉淀，可以作缓释肥料使用，利用价值较高。
目前，废水磷酸铵镁结晶沉淀的方法一般通过添加氯化镁等含镁化合物，即镁盐，同时采用添加碱性溶液如氢氧化钠溶液或者曝气吹脱废水中溶解的二氧化碳方式提升废水pH，促进废水铵根离子、磷酸根离子与镁离子结合形成磷酸铵镁结晶沉淀。这种方法的问题主要有：(1)投加镁盐溶液、碱性溶液不仅增加废水体积，而且向废水中引入原来没有的氯离子、钠离子等，造成新的二次污染;(2)曝气吹脱废水中溶解的二氧化碳，常因废水pH缓冲能力较高，废水pH上升幅度不明显;(3)对于氮磷摩尔比大于磷酸铵镁晶体构晶氨磷离子摩尔比1:1的废水，如猪场废水，经磷酸铵镁结晶处理后，废水氨氮(NH4+-N)有剩余还需后续单元处理。
电化学法处理废水避免了化学物质的直接投加、反应速度快，而且电场作用和气浮作用强化了废水混合效率，发展前景广阔。目前，电化学法一般以牺牲铝、铁阳极回收废水磷为主，关于利用电化学法同时回收氮磷的文献鲜有报导。
实用新型内容
本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提供一种用于回收废水氮磷的装置和方法，以克服传统直接用牺牲镁阳极电化学法回收废水氮磷过程中，阴极室pH上升干扰阳极室磷酸根离子、镁离子与铵根离子结合形成磷酸铵镁结晶;牺牲镁阳极电解氮磷摩尔比(NH4+-N:PO43--P)>1:1废水形成磷酸铵镁结晶后氨氮有剩余的问题。
本实用新型的装置包括双室反应器，质子交换膜，曝气管，曝气泵，恒流电源，含镁电极板，惰性电极板，搅拌机，pH计，计算机，排水泵，氨吹脱池，氨吸收装置，氨氮在线测试装置，密封垫圈，夹持装置，长方形孔，进水口，出水口和排水管。
双室反应器由侧壁相贴的阳极室和阴极室构成，二者的接触侧壁壁面大小相同，中部开有长方形孔，该接触侧壁间通过夹持装置夹装质子交换膜，质子交换膜两侧与阳极室和阴极室接触处设置密封垫圈，从而将阳极室与阴极室中的水体隔开，防止两极室水体泄露。阳极室与阴极室均开有出水口和进水口，阴极室和阳极室内的废水可经过出水口、排水管及排水泵排入氨吹脱池;搅拌机的搅拌桨浸没在阳极室的水体中，pH计探头浸没在阳极室水体中，含镁电极板置于阳极室水体中，与恒流电源的正极相连作为阳极板，惰性电极板放入阴极室水体中，与恒流电源的负极相连作为阴极板;曝气管一端连接曝气泵，另一端通在氨吹脱池中;氨吹脱池中置有氨氮在线测试装置，吹脱出的含氨气体通入氨吸收装置，计算机与曝气泵、恒流电源、搅拌机、pH计、排水泵、氨氮在线测试装置分别相连。
上述技术方案中，所述的夹持装置夹装质子交换膜的方式是通过法兰螺栓，或法兰U型夹依次夹装阳极室侧壁及该侧密封垫圈、质子交换膜、另一密封垫圈及阴极室侧壁。
所述的长方形孔的各边长为阳极室与阴极室接触侧壁壁面对应边长的0.65～0.85倍。
所述的密封垫圈的外圈边长为阳极室与阴极室接触侧壁壁面对应边长的1～1.2倍，密封垫圈的内圈边长为阳极室与阴极室接触侧壁壁面上长方形孔对应边长的1～1.2倍。
所述的质子交换膜为长方形，其边长为密封垫圈内圈对应边长的1.1～1.2倍。
所述的含镁电极板中镁质量百分数达95%及以上。
利用上述装置进行废水氮磷回收的方法是：将需要处理的废水输入阳极室和阴极室中，保持阴阳两极室内液面平齐，调整阴极板与阳极板间的极间距至设定值，打开搅拌机使阳极室内的水体混合均匀，打开恒流电源，开始电解。pH计实时监测阳极室内水体pH并反馈至计算机，当pH计监测的数值达到设定值时或反应时间达到设定值时，计算机控制关闭恒流电源和搅拌机，开启排水泵，废水排入氨吹脱池，打开曝气泵，在氨吹脱池内曝气，氨吹脱池吹脱出的含氨气体通入氨吸收装置后排放，氨氮在线测试装置实时测试氨吹脱池内废水氨氮浓度并反馈给计算机，当氨氮浓度变化幅度低于10%时或反应时间达到设定值时，计算机控制关闭曝气泵，废水中结晶沉淀回收、氨吹脱池排空后，双室反应器再次进水。打开搅拌机和恒流电源，重复上述后续步骤进行新一轮的废水氮磷回收，根据氨吸收装置氨吸收饱和情况，定期更换氨吸收剂或吸收液。
上述方案中，所述的电解时电流密度范围在14.3A/m2～142.9A/m2之间;所述的电极板极间距为3～6cm。
本实用新型的有益效果如下：
1.含镁电极板作阳极，惰性电极板作阴极，通过电解以磷酸铵镁形式回收废水氮磷，阴阳两极有OH-产生，阴极与阳极附近液体有流动交换，反应液中pH上升较快，pH超过10时，阳极室最终形成磷酸镁结晶沉淀，而不是磷酸铵镁结晶沉淀。本实用新型采用了质子交换膜隔绝阳极与阴极附近水体交换，即形成阳极与阴极两室，质子交换膜阻碍阴极室OH-向阳极室移动，克服阴极室pH上升对阳极室磷酸铵镁结晶过程的干扰，有利于阳极室pH控制，进而提高阳极室沉淀物中磷酸铵镁结晶物纯度。同时，可节约后续回调双室反应器电解处理出水高pH值所需成本。
2.本实用新型采用牺牲镁阳极电化学方法和氨吹脱的组合工艺，利用镁阳极电解反应及电解产物与水的反应，产生镁离子和OH-，促进阳极室内的磷酸根、镁离子及铵根离子朝结晶化学反应方向移动，发生磷酸铵镁结晶沉淀反应。同时，由于牺牲镁阳极电化学反应水体的pH值有提升，水中氨氮主要以游离氨形式存在，为后续氨吹脱回收氨氮提供条件。
3.本实用新型提供的牺牲镁阳极电化学和氨吹脱组合工艺能将废水中的营养物质转化为有附加产值的化学产品，如磷酸铵镁(牺牲镁阳极回收的化学品)，氨吸收装置产生的含氮产品，从而补偿装置运行费用，有利于整套装置运行成本控制。
