一种回收废水中的氨资源并同步产氢的集成装置及方法

本发明属于废水资源化利用，具体涉及一种回收废水中的氨资源并同步产氢的集成装置及方法。

背景技术：

1、氮肥是世界化肥生产和使用量最大的肥料品种之一。目前，氮肥生产主要采用haber–bosch过程生产的氨，但是该过程涉及高温高压条件，能源消耗大且产生温室气体。而另一方面，人类排放到水中的氨氮越来越多，氨氮废水主要来源于化学原料和化学制造业、农副食品加工业、造纸和纸制品业及纺织业，高浓度的氨氮废水排放入水体中会毒害水体中的动植物，造成水体富营养化、形成黑臭水体等。

2、目前，氨氮废水的处理技术包括物化法、生物法和膜分离法。物化法包括鸟粪石沉积、热汽提及真空汽提、离子交换吸附等。鸟粪石沉积法对鸟粪石需求量大、产污泥量多；热汽提及真空汽提技术，能耗较高；离子交换吸附技术适用于低浓度氨氮废水的处理，但其离子交换树脂再生操作复杂。生物法主要采用aao工艺，成本低、能够有效去除废水中的氨氮，但难以将其资源化利用。膜分离法针对高浓度氨氮废水的氨氮资源回收，通过向废水中投加生石灰等碱性药剂，使废水ph呈碱性(ph＞9.3)，将废水中溶解态的nh4+转化成气态的nh3分子，然后在氨蒸汽压差的推动下使其透过膜材料，到达回收侧，进行回收。但是大量碱性药剂的投加不仅增加成本，而且会造成膜结垢或膜润湿问题。如何高效、低成本的回收氨氮废水中的氨氮，是本领域技术人员面临的问题。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提供一种回收废水中的氨资源并同步产氢的集成装置及方法，所述集成装置将电化学耦合到膜脱氨工艺中，其阳极电解水产生h+，导电疏水膜阴极电解水产生oh-和h2，产生的h2可进行氢资源回收，产生的oh-可将废水中溶解态的nh4+转化成气态的nh3分子，然后透过导电疏水膜进入回收侧，由阳极产生的h+循环至氨回收室实现nh3的回收，本发明处理效率高且无需额外投加酸碱药剂，降低了废水的处理成本，实现在氨资源化同时回收氢资源。

2、第一方面，所述回收废水中的氨资源并同步产氢的集成装置，包括反应池、废水槽和吸收液槽，反应池依次包括阳极室、废水室和氨回收室，阳极室内设有阳极，废水室与氨回收室由导电疏水阴极膜分隔开，废水槽通过管道连接废水室，并在废水槽和废水室之间形成废水循环流动；

3、吸收液槽连接阳极室的进水口，阳极室的出水口连接氨回收室的进水口，氨回收室的出水口连接吸收液槽，吸收液槽内装有吸收液，吸收液能输入阳极室并被电解，产生h+，再输入氨回收室，用于吸收从废水室传递的nh3分子，并在吸收液槽、阳极室和氨回收室之间形成吸收液的循环流动。

4、可选的，所述阳极室与废水室之间设有分隔板，用于将阳极室和废水室分隔成两个独立的腔室，避免氨氮废水与吸收液混合；

5、阳极室的进水口设在阳极室的底部，阳极室的出水口设在阳极室的顶部。

6、可选的，所述阳极室内设有阳极，阳极连接反应池的外部电源的正极，阳极为常规的导电惰性多孔电极材料，例如不锈钢网、钌钛网、钛网，外部电源为直流电源。

7、可选的，所述导电疏水阴极膜竖直设置，导电疏水阴极膜作为反应池的阴极，并连接外部电源的负极；

8、所述导电疏水阴极膜由在疏水膜上负载导电层构成，导电层的材料选自碳毡、碳布、碳纤维、泡沫镍中的一种。疏水膜为常规疏水膜。

9、将导电层通过热压方式负载在疏水膜上，即可形成导电疏水阴极膜。

10、可选的，所述氨回收室的进水口设在氨回收室的底部，氨回收室的出水口设在氨回收室的顶部；所述废水室的进水口设在废水室的底部，废水室的出水口设在废水室的顶部；

11、吸收液槽连接阳极室的进水口的管道上设有第一水泵，用于保持吸收液槽、阳极室和氨回收室之间吸收液的循环流动；废水槽连接废水室的管道上设有第二水泵和流量计，第二水泵用于保持废水槽与废水室之间废水的循环流动，流量计用于实时监测废水流量。

12、可选的，所述集成装置还包括氢气回收装置，氢气回收装置包括扰动部、第一三相分离部、吸收池和储气部，扰动部设在废水室内且靠近导电疏水阴极膜，三相分离部设在废水室的中上部且靠近导电疏水阴极膜，用于分离出废水室所产的气体，吸收池设在反应池的外部；

13、第一三相分离部的出气口连接吸收池的进口，吸收池内装有水，用于吸收三相分离部分离所得气体中的氨气；吸收池的气体出口连接储气部，储气部用于储存分离所得的氢气；吸收池的液体出口连接废水室，将氨水返回废水室。

14、进一步可选的，所述扰动部包括若干个转动轮和支架，支架平行于导电疏水阴极膜且靠近导电疏水阴极膜，若干个转动轮呈阵列均匀安装在支架上；

15、转轮包括外侧的圆环形的框体和内部的搅拌件，搅拌件的转轴处于框体的圆心处，搅拌件的若干个叶片沿转轴的周向均匀布设。

16、进一步可选的，所述转轮的框体竖直设置，即框体的两个镂空的侧面分别面对导电疏水阴极膜和分隔板；转轴水平设置；

17、叶片的头部固定连接转轴的中部，叶片的尾部指向并靠近框体的内侧面，叶片头部的宽度小于尾部的宽度，即叶片呈内窄外宽的形态，叶片的宽度方向平行于转轴。

18、第二方面，所述回收废水中的氨资源并同步产氢的方法，包括以下步骤：

19、(1)向废水罐中加入待处理的氨氮废水，废水罐向废水室输入废水，在废水罐和废水室之间形成废水循环流动；

20、(2)向吸收液槽内加入吸收液，并向阳极室输入吸收液，阳极室向氨回收室输入吸收液，氨回收室的吸收液返回吸收液槽，形成吸收液的循环流动；

21、(3)待反应池、废水槽和吸收液槽中的气泡排出后，将阳极和导电疏水阴极膜接通外部电源，导电疏水阴极膜通过原位电解水，产生oh-和氢气，废水室内废水中的nh4+与oh-反应，生成nh3，在氨蒸气压差的推动下，nh3透过导电疏水阴极膜进入在氨回收室；氢气排出废水室并回收；

22、(4)阳极室的阳极电解水，产生氧气和h+，氧气排出阳极室，h+使得吸收液的ph值降低，阳极室的吸收液输入氨回收室，吸收透过导电疏水阴极膜的氨气，并形成铵盐溶解在吸收液中，实现废水中nh4+的选择性回收。

23、可选的，步骤(2)中，所述吸收液为电解液，具体为酸或盐的水溶液，酸选自硫酸、磷酸、硝酸中的一种，盐的选择较多，例如硫酸钠、硫酸钾。当吸收液是硫酸时，氨回收室内产生硫酸铵，可用于制作化肥。

24、可选的，步骤(3)中，通过调节外部电源的电流密度，以控制电解废水的反应速率，进而控制产氢速率、废水室和氨回收室内水体的ph值。优选的，所述电流密度为5-50a/m2。

25、可选的，步骤(3)中，通过调节所述第二水泵，控制循环废水的流速，控制废水脱氮效果。

26、可选的，步骤(4)中，通过调节所述第一水泵，控制循环吸收液的流速，控制氨氮回收效果。

技术特征：

1.一种回收废水中的氨资源并同步产氢的集成装置，其特征在于，包括反应池、废水槽和吸收液槽，反应池依次包括阳极室、废水室和氨回收室，阳极室内设有阳极，废水室与氨回收室由导电疏水阴极膜分隔开，废水槽通过管道连接废水室，并在废水槽和废水室之间形成废水循环流动；

2.根据权利要求1所述的回收废水中的氨资源并同步产氢的集成装置，其特征在于，所述阳极室与废水室之间设有分隔板，用于将阳极室和废水室分隔成两个独立的腔室，避免氨氮废水与吸收液混合；

3.根据权利要求1所述的回收废水中的氨资源并同步产氢的集成装置，其特征在于，所述阳极室内设有阳极，阳极连接反应池的外部电源的正极，外部电源为直流电源。

4.根据权利要求1所述的回收废水中的氨资源并同步产氢的集成装置，其特征在于，所述导电疏水阴极膜竖直设置，导电疏水阴极膜作为反应池的阴极，并连接外部电源的负极；

5.根据权利要求4所述的回收废水中的氨资源并同步产氢的集成装置，其特征在于，将导电层通过热压方式负载在疏水膜上，形成导电疏水阴极膜。

6.根据权利要求1所述的回收废水中的氨资源并同步产氢的集成装置，其特征在于，所述氨回收室的进水口设在氨回收室的底部，氨回收室的出水口设在氨回收室的顶部；所述废水室的进水口设在废水室的底部，废水室的出水口设在废水室的顶部；

7.根据权利要求1所述的回收废水中的氨资源并同步产氢的集成装置，其特征在于，所述集成装置还包括氢气回收装置，氢气回收装置包括扰动部、第一三相分离部、吸收池和储气部，扰动部设在废水室内且靠近导电疏水阴极膜，三相分离部设在废水室的中上部且靠近导电疏水阴极膜，用于分离出废水室所产的气体，吸收池设在反应池的外部；

8.根据权利要求7所述的回收废水中的氨资源并同步产氢的集成装置，其特征在于，所述扰动部包括若干个转动轮和支架，支架平行于导电疏水阴极膜且靠近导电疏水阴极膜，若干个转动轮呈阵列均匀安装在支架上；

9.根据权利要求8所述的回收废水中的氨资源并同步产氢的集成装置，其特征在于，所述转轮的框体竖直设置，框体的两个镂空的侧面分别面对导电疏水阴极膜和分隔板；转轴水平设置；

10.一种回收废水中的氨资源并同步产氢的方法，其特征在于，使用权利要求1-9任一项所述的回收废水中的氨资源并同步产氢的集成装置，所述方法包括以下步骤：

技术总结
本发明涉及一种回收废水中的氨资源并同步产氢的集成装置及方法，所述集成装置包括反应池、废水槽和吸收液槽，反应池依次包括阳极室、废水室和氨回收室，阳极室内设有阳极，废水室与氨回收室由导电疏水阴极膜分隔开，废水槽通过管道连接废水室，并在废水槽和废水室之间形成废水循环流动；吸收液槽连接阳极室的进水口，阳极室的出水口连接氨回收室的进水口，氨回收室的出水口连接吸收液槽，吸收液槽内装有吸收液，吸收液能输入阳极室并被电解，产生H<supgt;+</supgt;，再输入氨回收室，用于吸收从废水室传递的NH<subgt;3</subgt;分子，并在吸收液槽、阳极室和氨回收室之间形成吸收液的循环流动。

技术研发人员：徐莉莉,王军,郑泽鹏,李魁岭,张勇,曹爱新
受保护的技术使用者：中国科学院生态环境研究中心
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16