[发明专利]一种电化学鸟粪石结晶回收污水氮磷的方法

说明书

本发明公开了一种电化学鸟粪石结晶回收污水氮磷的方法。针对现有电化学鸟粪石结晶回收污水氮磷存在的过电势大、镁源成本高等难题，本发明利用廉价镁质矿物在阳极液中酸解，显著减小过电势和降低镁源成本。本发明的方法基于双室电解池中电极反应形成的阳极液酸化和阴极液碱化的条件，往阳极室投加镁质矿物，阻止阳极液酸化，稳定阳极液pH；酸解镁质矿物释放出的镁离子在电场力驱动下通过阳离子交换膜向阴极迁移，与阴极室污水中的铵根和磷酸根在碱性条件下发生结晶反应，形成鸟粪石沉淀，并稳定阴极液pH，实现了同时去除和回收污水氮磷的目的。本发明的方法使电化学鸟粪石结晶回收污水氮磷的更具应用推广价值。

技术领域

该发明公开了一种电化学鸟粪石结晶回收污水氮磷的方法，属于对含氮磷污水处理与资源化利用领域。

背景技术

污水氮、磷回收是环境领域研究的热点和前沿所在。氮、磷既是污水处理重点去除的污染物，又是粮食作物生长必需的肥料元素。污水氮、磷排放导致水体富营养化现象日趋严重，不仅破坏水生态系统，还对人、畜的饮用水安全构成严重威胁；同时，氮肥生产消耗约2％的全球能源，磷更是一种不可替代、不可再生资源，全世界可利用磷矿将在未来50年内枯竭，我国已将磷列入战略储备资源。因此，污水氮、磷回收对保护水生态环境和保障人类粮食生产安全均具有重大战略意义。如何从污水回收氮、磷已成为当前我国乃至全世界面临的重大环境课题之一。其中鸟粪石(MAP)结晶法能同时回收氮、磷且回收产物是潜在的良好缓释肥，所以目前受研究关注最多。然而，MAP形成需pH 8-10的碱性条件，还需投加大量镁盐(如MgCl₂、MgSO₄等)以满足Mg²⁺浓度要求，药剂费占据了MAP生产总成本的97％，导致磷回收成本(约$3500/吨P)远高于MAP经济价值(约$765/吨P)。

利用电化学法或生物电化学法处理废水是近年来比较热门的研究方向。其中尤其是电化学法，因为它避免了一些化学药剂的投加、反应速度快，而且电场作用和生成气体气浮作用强化了废水混合效率，发展前景广阔。有研究者通过电化学和生物电化学的阴极产碱作用回收MAP，降低了碱源成本，但镁源成本依然很高。以往研究对于镁源的提供通常是添加MgCl₂、MgSO₄等镁盐或者是Mg(OH)₂和MgO。投加镁盐一方面是成本非常高，另一方面额外引入的Cl^-和SO₄^2-也会增加溶液的盐度。而Mg(OH)₂和MgO虽然成本较低也不会增加溶液的盐度，但是它们在水中的溶解度很低，这样会大大影响鸟粪石结晶效率和鸟粪石纯度。也用研究者将镁棒直接用作阳极电极来提供镁源，虽然效率很高，但是镁棒和电能消耗带来的高成本问题依旧没有解决。把含Mg²⁺浓度较高的海水直接用来提供镁源虽然解决了药剂成本问题，但其应用受到了地域的限制，在非沿海地区会存在巨大的运输成本。

因此，如果利用电化学方法能同时解决镁源成本高问题，鸟粪石法结晶法回收污水氮磷将更具应用和推广价值。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的鸟粪石结晶法回收污水中的氮磷存在的投加药剂成本高，生成鸟粪石效率低、纯度低等一系列技术问题，提供了一种电化学鸟粪石结晶回收污水氮磷的方法。

本发明需要保护的技术方案为：

本发明方法思路为：双室电解池在运行过程中，阳极液pH下降，阴极液pH上升，阴、阳极室的pH梯度增大，导致过电势高和电子利用率低。本发明创造性地选用镁质矿物在双室电解池阳极室内电解液中酸解，阻制阳极液酸化，稳定阳极液pH；同时，利用镁质矿物释放出的镁离子在电场力驱动下通过阳离子交换膜向阴极迁移，与阴极室内含氮磷污水中的铵根和磷酸根在碱性条件下发生结晶反应，形成鸟粪石沉淀，并稳定阴极液pH。