一种镁-空气电池连续运行处理厌氧消化废水并回收氮磷资源的装置及方法

1.本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种镁-空气电池连续运行处理厌氧消化废水并回收氮磷资源的装置及方法。


背景技术：

2.氮和磷是生物体内不可缺少的元素，是所有生物生存的基础。当今世界氮磷资源短缺，而废水中含有的大量氮磷若不及时去除则会造成水体富营养化，由此将废水中的氮磷去除并回收就成为了目前的研究热点。对废水进行脱氮除磷的方法有很多：生物法、化学沉淀法和电化学法。传统的生物法将废水中的磷转移到污泥中，将氨氮、硝酸盐等转化成了氮气释放到空气中，虽然完成了氮磷的去除，但是并未回收氮磷资源。化学沉淀法即在调节废水碱度的基础上向废水中投加镁盐，形成鸟粪石沉淀，此过程虽以鸟粪石的形式回收了氮磷资源，但投加镁盐又引入了新的杂质离子。而电化学法，可在不引入其他杂质离子的情况下形成鸟粪石沉淀，但过程中会消耗大量的电能。


技术实现要素：

3.为解决现有技术中存在的问题，本发明针对厌氧消化废水，提出一种镁-空气电池连续运行处理厌氧消化废水并回收氮磷资源的装置及方法，本发明利用镁电极实现电子从阳极向阴极的转移，产生电能供利用；镁阳极失去电子，生成的溶解性二价镁，穿过阳离子交换膜后与阴极的铵根、磷酸盐反应生成鸟粪石，实现废水脱氮除磷并回收氮磷资源。
4.为了实现上述目的，本发明采用的具体技术方案如下：
5.一种镁-空气电池连续运行处理厌氧消化废水并回收氮磷资源的装置，包括阴极室、阳极室、产物收集斗和废水循环系统，阴极室和阳极室之间设有连通的通路，该通路中设有阳离子交换膜；阴极室的内腔设有空气阴极，阴极室上设有阴极室进水口和阴极室出水口，阴极室进水口和阴极室出水口与废水循环系统连接；产物收集斗设置于阴极室的底部，产物收集斗的底部设有排泥口；阳极室中设有镁电极，阳极室上还设有阳极室进水口；阳极室中的电解液为氯化钠溶液。
6.优选的，阳离子交换膜与空气阴极以及镁电极均相对设置，阴极室进水口和阴极室出水口分别位于阳离子交换膜的两侧以及空气阴极的两侧，阴极室进水口低于阴极室出水口。
7.优选的，产物收集斗底部的排泥口包括产物排出管，产物排出管上设有密闭法兰，密闭法兰上设有止水夹板。
8.优选的，废水循环系统包括厌氧消化液进口、进水管、循环泵、连接管、储液罐、出水管和厌氧消化液出口，厌氧消化液进口与阴极室出水口相连，厌氧消化液出口与阴极室进水口相连；厌氧消化液出口通过进水管与储液罐连接，储液罐中液面水平高度高于阴极室进水口的水平高度，循环泵的出水口通过连接管与储液罐连接，循环泵的进水口与厌氧
消化液进口连接。
9.优选的，阳极室顶部开设有供镁电极进出的卡槽。
10.优选的，镁电极和空气阴极上均连接有钛丝，镁电极上连接的钛丝从卡槽延伸至阳极室的外部，空气阴极上连接的钛丝延伸至阴极室外部。
11.优选的，阳极室进水口位于阳极室的上部。
12.优选的，每3.1-4.2cm3的阳极室对应配置1-1.3cm2的镁电极；每2-2.5cm3的阴极室对应配置1-1.25cm2的空气阴极，每2-2.5cm3的阴极室对应配置1-1.25cm2的阳离子交换膜。
13.本发明还提供了一种处理厌氧消化废水并回收氮磷资源的方法，该方法采用本发明如上所述的镁-空气电池连续运行处理厌氧消化废水并回收氮磷资源的装置进行，包括如下过程：
14.将含磷酸盐、铵根的厌氧消化废水通过废水循环系统从阴极室进水口输送给阴极室，作为阴极液；
15.将氯化钠溶液从阳极室进水口加入阳极室；
16.将电负载的两极分别与镁电极以及空气阴极电连接，镁电极失去电子生成可溶性二价镁，可溶性二价镁离子经过阳离子交换膜进入阴极液、并与阴极液中的铵根离子、磷酸根离子反应生成磷酸氨镁沉淀，即鸟粪石，生成的鸟粪石经产物收集斗收集、排出；
17.镁电极失去的电子经电路传送至空气阴极；氧气在空气阴极上接受电子，生成oh-，为鸟粪石的生成提供良好的ph环境；阳离子交换膜将阳极室和阴极室分隔，阳极室和阴极室通过阳离子交换维持电荷平衡。
18.优选的，厌氧消化废水中氨氮的浓度为3420-8118mg/l，磷酸盐的浓度为95-9500mg/，l氯化钠溶液的浓度为0.01-0.1mol/l。
19.本发明具有如下有益效果：
20.本发明镁-空气电池连续运行处理厌氧消化废水并回收氮磷资源的装置利用还原性极强的零价镁作为阳极，使得反应速率较高；将含铵根与磷酸盐的厌氧消化废水作为阴极液，镁阳极失去电子，生成的镁离子穿过阳离子交换膜与阴极液中的铵根和磷酸盐反应生成鸟粪石这种优质肥料，实现了废水的资源化利用；同时，在使用时，镁电极和空气电极上与耗电负载或电能回收装置相连，还能够达到产生电能的目的；废水循环系统使得阴极室中的铵根和磷酸盐浓度维持在较高水平，保证反应效率和稳定的产电能力。由于阳极室中采用的是中性的氯化钠溶液作为电解质溶液，镁阳极失去电子生成的镁离子不易在镁阳极表面沉淀形成钝化层阻止反应继续进行，从而保证了反应的持续高效进行，镁离子会经过阳离子交换膜到达阴极，与阴极液中的铵根和磷酸盐反应生成鸟粪石；而镁电极失去的电子经导线传送至空气阴极，氧气在空气阴极上接受电子，生成oh-，为鸟粪石的生成提供良好的ph环境，因此本发明镁-空气电池无需额外投加碱来控制ph，从而降低了运行成本。
21.本发明处理厌氧消化废水并回收氮磷资源的方法能够在不引入其他杂质离子的条件下，利用零价镁对含铵根与磷酸盐废水进行处理，得到鸟粪石，同时实现了废水脱氮除磷和电能的回收，零价镁还原性强，因此反应速度快，反应装置中的阳离子交换膜使得阳极不易发生钝化，阴极液的ph适宜鸟粪石生成，保障了反应的持续高效低成本运行，此本发明的方法不但环境友好，而且效率极高，是一种新型绿色环保氮磷资源回收技术，适合产业化推广。
附图说明
22.图1是本发明镁-空气电池连续运行处理厌氧消化废水并回收氮磷资源的装置的整体图；
23.图2是本发明阴极室与阳极室的整体图；
24.图3是本发明阳极室的整体图；
25.图4是本发明阴极室与阳极室整体结构的剖面图；
26.图5是本发明阴极室与阳极室整体结构的俯视图。
27.图中：a-阴极室、b-阳极室、1-1-厌氧消化液进口、1-2-进水管、1-3-90
°
弯头、1-4-循环泵、1-5-连接管、1-6-储液罐、1-7-出水管、1-8-厌氧消化液出口，2-支撑架、3-产物排出管、4-产物收集斗、5-空气阴极、6-电信号采集系统、7-电负载、8-镁电极、9-壳体固定螺丝、10-密闭法兰、11-钛丝、12-连接螺栓、13-阳极室进水口、14-卡槽、15-线孔、16-阳离子交换膜、17-止水夹板、18-螺丝、19-螺孔、20-密封圈、22-外接导线、23-阴极室进水口、24-阴极室出水口。
具体实施方式
28.下面结合具体附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。若没有特殊说明或冲突，各优选实施方式可以任意组合。
29.如图1～图5所示，本发明镁-空气电池连续运行处理厌氧消化废水并回收氮磷资源的装置，包括阴极室a和阳极室b，阴极室a和阳极室b之间的通道内设有阳离子交换膜16，并通过密封圈20封闭连接，阴极室a自上而下设有阴极室出水口24、空气阴极5、阴极室进水口23和产物收集斗4，阴极室出水口24和阴极室进水口23通过废水循环系统相连，空气阴极5上连接有钛丝11，该钛丝11延伸至阴极室a外部，阴极室a底部为产物收集斗4；阳极室b设有阳极室进水口13、卡槽14、镁电极8，阳极室进水口13位于阳极室b顶部正中的位置，反应中亦充当排气孔；卡槽14位于阳极室b顶部一侧，卡槽14与阴极室a的空气阴极5相对，镁电极8从卡槽14下放至阳极室b的内腔，镁电极8上连接有钛丝11，该钛丝11延伸至阳极室b的外部，与阴极室a外部的钛丝通过外接导线22能够与电负载7相连。
30.作为本发明优选的实施方案，如图2所示，阴极室a与阳极室b的容积比为1:1，在阴极室a中，阴极室出水口24到阴极室a顶部的距离为阴极室a总高的1/4，阴极室进水口23到阴极室a底部的距离为阴极室a总高的1/4，阴极室出水口24与阴极室进水口23的内径之比为1:1，在阳极室b中，阳极室进水口13与阴极室进水口23的内径之比为1:1，卡槽14呈方形，卡槽14到阳极室b侧面(图2所示的左侧)的距离为阳极室总长的1/10，卡槽14宽0.3mm-0.5mm，镁电极8上设有线孔15，线孔15到镁电极8上端的距离为镁电极8总高的1/10，线孔15孔径与钛丝11直径之比为1:1。
31.作为本发明优选的实施方案，如图3所示，钛丝11穿过线孔15将镁电极8固定好后，将镁电极8从卡槽14放入阳极室b内，更换镁电极8时，可通过提拉钛丝11将原镁电极8抽出进行更换。
32.作为本发明优选的实施方案，如图1、图2和图4所示，阴极室a的底部设有产物收集斗4，产物收集斗4为倒棱台结构，产物收集斗4的倾角为58
°
～62
°
，下端接有产物排出管3，产物排出管3上有止水夹板17固定，每1-4天打开止水夹板17收集脱氮除磷产物。
3、循环泵1-4、连接管1-5、储液罐1-6、出水管1-7和厌氧消化液出口1-8；阴极室a经由阳离子交换膜16与阳极室b传质；阳极室b上设有阳极室进水口13、卡槽14、钛丝11、镁阳极8；外部连接设备包括电信号采集系统6、电负载7、壳体固定螺丝9、外接导线22；阴极室a、阳极室b和外部连接设备组装连接完毕后，将镁-空气电池主体置于支撑架2上固定。
41.如图1和图2所示，空气电极5设于阴极室a内腔的右侧，空气电极5的右侧面通过密封圈与有机玻璃盖板实现密封，钛丝11从空气电极5上方延伸出阴极室a，与外接导线22相接；产物收集斗4设与阴极室a的底部，下端与排泥管3连接，排泥管3中部设有密闭法兰10固定止水夹板17；废水循环系统与阴极室进水口23和阴极室出水口24实现废水循环，阴极室出水口24与厌氧消化液进口1-1相连，厌氧消化液进口1-1通过进水管1-2和90
°
弯头1-3与循环泵1-4相连，循环泵1-4通过连接管1-5与储液罐1-6相连，储液罐通过出水管1-7与阳极室进水口23相连。
42.如图1～图3所示，镁电极8设于阳极室b内腔的左侧，阳极室b的左侧面通过密封圈与有机玻璃盖板连接实现密封，阳极室进水口13、卡槽14设于阳极室b的顶部，与外接导线22连接好的钛丝11另一端穿过线孔15与镁电极8连接，将镁电极8从卡槽14放入阳极室b。
43.如图2和图3所示，阳离子交换膜16通过密封圈20固定于中空有机玻璃板内，阴极室a腔体通过密封圈20与中空有机玻璃板封闭连接，中空有机玻璃板通过密封圈20与阴极室a封闭连接。4根连接螺栓12从左至右依次穿过有机玻璃盖板、阳极室b、中空有机玻璃板、阴极室a和有机玻璃盖板，用壳体固定螺丝9拧紧固定在连接螺栓12两端，连接为一个整体结构，将其置于支撑架上。
44.上述各部件的尺寸及比例可视实际情况进行设定。在本实施例中，阴极室a与阳极室b两室规格相同，容积相同，容积比为1:1。所述阴极室a采用氨氮的浓度为3420-8118mg/l，磷酸盐的浓度为95-9500mg/l的厌氧消化废水，阴极室出水口24到顶部的距离为阴极室a总高的1/4，阴极室进水口23到底部的距离为阴极室a总高的1/4，阴极室出水口24与阴极室进水口23的内径之比为1:1；阴极室a的底部设有产物收集斗4，产物收集斗4为倒棱台结构，产物收集斗4的倾角为50
°
～60
°
，下端接有产物排出管3，产物排出管3上有止水夹板17固定，每4-6天打开止水夹板17收集脱氮除磷产物。所述阳极室b可加入0.01-0.1mol/l的氯化钠溶液作为电解液，阳极室进水口13与阴极室进水口23的内径之比为1:1，卡槽14呈方形，到阴极室侧面的距离为阳极室总长的1/10，卡槽14宽0.5mm，镁电极8嵌于其中，镁电极8上有线孔15，线孔15到镁电极8上端的距离为镁电极8总长的1/10，线孔15孔径与钛丝直径之比为1:1。两阳极室b和阴极室a中液体体积相同，液体体积占各室容积的90％。所述废水循环系统中，储液罐1-6与镁-空气电池ⅰ的容积比为4:1。所述的镁电极8为长方形镁片，完全浸没在电解液中，其表面积与阳极室b容积之比为1cm2:3.1cm3；空气电极5为长方形薄片，由碳基层、扩散层和催化层组合压制而成，其完全浸没在厌氧消化废水中，其表面积与阴极室a容积之比为1cm2：2cm3；阳离子交换膜16为长方形薄膜完全浸没在溶液中，其表面积与阴极室a容积之比为1cm2：2cm3。经过试验，上述尺寸比例及参数能够较好的完成本发明的试验目的。
45.利用本发明上述镁-空气电池连续运行处理厌氧消化废水并回收氮磷资源的装置可采用有机玻璃制作，工作过程如下：厌氧消化废水从废水循环系统中的储液罐1-6经由出水管1-7进入阴极室a，通过循管泵1-4实现废水连续处理。氯化钠溶液由阳极室进水口13进
入阳极室b，作为阳极液；阳极室中的镁电极8失去电子生成可溶性二价镁，该镁离子穿过阳离子交换膜16进入阳极液，并与阴极液中的铵根、磷酸根离子反应生成鸟粪石沉淀(mgnh4po4·
6h2o)；鸟粪石沉淀至产物收集斗4中，由排泥管3定期排出。阳极室的镁电极8失去的电子经由外接导线22传送至阴极室a的空气电极5与空气中的氧气结合生成oh-为鸟粪石的生成提供良好放入ph条件，同时在外电路形成电流，由电信号收集系统6进行数据采集。阳离子交换膜16将阴、阳两室分隔，通过阳离子16交换阳离子维持阳极室和阴极室的电荷平衡。
46.本发明具有如下特点：1)零价镁还原性极强，使得废水脱氮除磷速率较快，反应周期短；2)不仅能高效处理厌氧消化废水，还可以鸟粪石形式回收氮磷资源；3)连续运行使污染物浓度维持在较高水平，从而是的废水脱氮除磷速率保持在较高水平；4)无需额外加碱，空气阴极的氧气得电子生成oh-为鸟粪石的生成提供良好放入ph条件；5)产物在阴极室生成，阳极室内高浓度的氯化钠溶液避免了镁电极钝化对反应效率的影响；6)镁电极更换方便。