[發明專利]一種電化學鳥糞石結晶回收污水氮磷的方法

有效

• 申請號: 201810373985.0
• 申請日: 2018-04-24
• 公開（公告）號: CN108675403B
• 公開（公告）日: 2020-12-08
• 發明（設計）人: 張志強;佘璐;張姣;夏四清
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: C02F1/461
• 分類號: C02F1/461;C02F1/42;C02F101/10;C02F101/16
• 代理公司: 上海科律專利代理事務所(特殊普通合伙) 31290
• 代理人: 葉鳳

本發明公開了一種電化學鳥糞石結晶回收污水氮磷的方法。針對現有電化學鳥糞石結晶回收污水氮磷存在的過電勢大、鎂源成本高等難題，本發明利用廉價鎂質礦物在陽極液中酸解，顯著減小過電勢和降低鎂源成本。本發明的方法基于雙室電解池中電極反應形成的陽極液酸化和陰極液堿化的條件，往陽極室投加鎂質礦物，阻止陽極液酸化，穩定陽極液pH；酸解鎂質礦物釋放出的鎂離子在電場力驅動下通過陽離子交換膜向陰極遷移，與陰極室污水中的銨根和磷酸根在堿性條件下發生結晶反應，形成鳥糞石沉淀，并穩定陰極液pH，實現了同時去除和回收污水氮磷的目的。本發明的方法使電化學鳥糞石結晶回收污水氮磷的更具應用推廣價值。

技術領域

該發明公開了一種電化學鳥糞石結晶回收污水氮磷的方法，屬于對含氮磷污水處理與資源化利用領域。

背景技術

污水氮、磷回收是環境領域研究的熱點和前沿所在。氮、磷既是污水處理重點去除的污染物，又是糧食作物生長必需的肥料元素。污水氮、磷排放導致水體富營養化現象日趨嚴重，不僅破壞水生態系統，還對人、畜的飲用水安全構成嚴重威脅；同時，氮肥生產消耗約2％的全球能源，磷更是一種不可替代、不可再生資源，全世界可利用磷礦將在未來50年內枯竭，我國已將磷列入戰略儲備資源。因此，污水氮、磷回收對保護水生態環境和保障人類糧食生產安全均具有重大戰略意義。如何從污水回收氮、磷已成為當前我國乃至全世界面臨的重大環境課題之一。其中鳥糞石(MAP)結晶法能同時回收氮、磷且回收產物是潛在的良好緩釋肥，所以目前受研究關注最多。然而，MAP形成需pH 8-10的堿性條件，還需投加大量鎂鹽(如MgCl₂、MgSO₄等)以滿足Mg²⁺濃度要求，藥劑費占據了MAP生產總成本的97％，導致磷回收成本(約$3500/噸P)遠高于MAP經濟價值(約$765/噸P)。

利用電化學法或生物電化學法處理廢水是近年來比較熱門的研究方向。其中尤其是電化學法，因為它避免了一些化學藥劑的投加、反應速度快，而且電場作用和生成氣體氣浮作用強化了廢水混合效率，發展前景廣闊。有研究者通過電化學和生物電化學的陰極產堿作用回收MAP，降低了堿源成本，但鎂源成本依然很高。以往研究對于鎂源的提供通常是添加MgCl₂、MgSO₄等鎂鹽或者是Mg(OH)₂和MgO。投加鎂鹽一方面是成本非常高，另一方面額外引入的Cl^-和SO₄^2-也會增加溶液的鹽度。而Mg(OH)₂和MgO雖然成本較低也不會增加溶液的鹽度，但是它們在水中的溶解度很低，這樣會大大影響鳥糞石結晶效率和鳥糞石純度。也用研究者將鎂棒直接用作陽極電極來提供鎂源，雖然效率很高，但是鎂棒和電能消耗帶來的高成本問題依舊沒有解決。把含Mg²⁺濃度較高的海水直接用來提供鎂源雖然解決了藥劑成本問題，但其應用受到了地域的限制，在非沿海地區會存在巨大的運輸成本。

因此，如果利用電化學方法能同時解決鎂源成本高問題，鳥糞石法結晶法回收污水氮磷將更具應用和推廣價值。

發明內容

本發明的目的是為了解決現有的鳥糞石結晶法回收污水中的氮磷存在的投加藥劑成本高，生成鳥糞石效率低、純度低等一系列技術問題，提供了一種電化學鳥糞石結晶回收污水氮磷的方法。

本發明需要保護的技術方案為：

本發明方法思路為：雙室電解池在運行過程中，陽極液pH下降，陰極液pH上升，陰、陽極室的pH梯度增大，導致過電勢高和電子利用率低。本發明創造性地選用鎂質礦物在雙室電解池陽極室內電解液中酸解，阻制陽極液酸化，穩定陽極液pH；同時，利用鎂質礦物釋放出的鎂離子在電場力驅動下通過陽離子交換膜向陰極遷移，與陰極室內含氮磷污水中的銨根和磷酸根在堿性條件下發生結晶反應，形成鳥糞石沉淀，并穩定陰極液pH。