[发明专利]一种基于镁空气燃料电池回收尿液中磷资源和电能的方法

说明书

本发明属于废水处理技术领域，具体公开了一种基于镁空气燃料电池回收尿液中磷和电能的方法。本发明构建了一种镁空气燃料电池，包括电池腔体、阳极、阴极、外电阻及若干导线，所述阳极为金属镁阳极，所述阴极为铂碳空气阴极；将尿液加入到电池腔体中，连通外电路后开始反应，电池阳极直接失电子产生Mg²⁺，阴极氧还原产生OH^‑，为沉淀反应提供镁源和碱源，生成鸟粪石沉淀或磷酸镁沉淀，同时通过电极的氧化还原反应回收电能，断开外电路停止反应后对尿液进行过滤处理，回收沉淀物即可获得磷资源。本发明在降低化学药剂成本的同时，实现了尿液或尿液废水高效除磷，而且能够同步对尿液或尿液废水进行磷资源及电能的回收。

技术领域

本发明涉及废水处理技术领域，具体涉及尿液废水处理与资源化利用，特别是涉及一种基于镁空气燃料电池回收尿液中磷资源和电能的方法。

背景技术

近二十年来，因氮磷过度排放引起的水体富营养化已经在我国造成了重大的环境污染事件，严重影响了水生态平衡和人类健康。同时我国70％的可耕地缺磷或严重缺磷，需要补施含磷肥料，磷肥供求矛盾十分突出。传统磷矿开采需消耗大量能源，且磷矿属于不可再生、不可循环资源，全球可利用磷矿预估只能使用50年，我国已将磷矿资源列入战略储备资源。生活污水中约50％的磷来自于尿液，但是尿液体积只占生活污水总体积的不到1％。所以相对于一般废水，尿液等于是磷的浓缩液。面对这些问题，从源头对尿液进行处理与资源化，可以在减缓水体富营养化程度和减轻污水处理厂处理负荷的同时，回收含磷缓释肥料，缓解农业土壤肥力的需求压力，维护世界粮食安全以及人类的生存发展。所以从尿液废水中回收磷不仅具有重要的环境意义，而且有助于解决人类可持续发展的问题。

目前尿液处理及氮磷回收的方法主要有浓缩脱水、物化吸附、沉淀结晶、生物处理、电化学技术等。虽研究者们已经在尿液净化和磷回收方面做出了富有成效的探索，但都存在一些不足之处，如浓缩脱水法能耗过高、有微污染残留；物化吸附法吸附材料容量有限且需再生，吸附后的材料不适合直接作为化肥回用；沉淀结晶法虽可以回收鸟粪石缓释肥，但需要额外添加MgCl₂等镁盐作为沉淀镁源，成本增加了两倍；生物法不耐尿液高氨氮、低C/N比负荷；电化学技术避免了一些镁源和碱源等化学药剂的投加，但是依然存在电能消耗的问题。

申请号为201711066746.2的中国发明专利公开了一种电化学沉淀回收剩余污泥中氮磷的装置及方法，具体公开了以下内容：镁棒阳极和碳棒阴极在直流电作用下发生电子转移分别提供镁离子和氢氧根，剩余污泥提供铵根离子和磷酸根离子与镁离子反应生成鸟粪石沉淀。虽然该方法无需额外投加镁盐即可实现剩余污泥中磷的回收，但也存在一些不足。首先，剩余污泥需要添加大量NaOH以提高剩余污泥的破解效率，碱源药剂成本过高；另外，化学沉淀池中pH维持在7-8之间，导致回收鸟粪石纯度不高；最后施加直流电以促进电化学反应的发生会增加能耗成本。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于镁空气燃料电池回收尿液中磷资源和电能的方法，旨在避免化学药剂的加入和电能的消耗，提高资源回收利用率，降低生产成本。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明第一方面提供一种镁空气燃料电池，包括电池腔体、阳极、阴极、外电阻及若干导线，所述电池腔体用于盛放尿液，所述电池腔体的上部设有进水口和出水口，所述阳极为金属镁阳极，所述阴极为铂碳空气阴极，所述阳极和阴极均设置于电池腔体内，所述阳极与阴极分别通过导线与外电阻串联。

进一步，所述电池腔体的制作材料为有机玻璃、陶瓷或塑料。

进一步，所述外电阻为5-1000Ω，更优选为10-100Ω，更优选为10Ω。

进一步，所述金属镁阳极由镁板制成，所述镁板的型号选自AZ31B、AP65、AZ61、AZ21、AZ91、M2M、ME20M中的至少一种。

进一步，所述铂碳空气阴极包括依次连接的填平层、支撑集流层、填平层和催化层的四层结构。