一种基于海水电池技术将养殖废水中氮磷转化成磷酸铵镁的装置

摘要

本发明涉及一种基于海水电池技术将海水养殖废水中氮磷转化成磷酸铵镁的装置。装置以金属镁或镁合金为海水电池负极，钛、钛合金或石墨为海水电池正极，以海水中富含离子，以及养殖过程形成的硝酸盐、亚硝酸盐、氨氮和磷为电解质，构成装置的工作单元。其中负极与正极之间还连接有蓄电池，工作单元的下底面设置有抽屉状的沉淀物收集盒，装置上半部侧面设置有海水进出口，装置的外侧面包裹有设置的气囊。一套装置可以由多个工作单元串联而成。本发明装置可将废水中的氨氮和磷去除，无需外加药剂；氨氮去除率可达90%以上；磷去除率可达95%以上；可将多个工作单元串联，提高处理能力和输出电压；生成沉淀物是一种肥料，实现废物资源化利用，产生经济效益。

说明书

技术领域

本发明涉及一种环境污染治理领域，特别涉及一种基于海水电池技术将海水养殖 废水中氮磷转化成磷酸铵镁的装置。

背景技术

近年来，我国海水养殖业发展迅速,养殖产量已连续多年居世界首位，同时也使得海水 养殖废水排放总量已超过陆源污水排放总量,海水养殖废水中主要的废物有残饵、排泄物、化 学物质和治疗性药物残留等，养殖生物的死体及病原体也是废物的一部分，因而养殖废水大 量排放后，使得海洋水体中氮、磷等营养物质急剧增加，导致养殖水及邻近水域富营养化或 水质恶化，严重时可导致养殖生态系统失衡、紊乱乃至完全崩溃。当这种水体有适当的生物、 水文和气象条件时，甚至可能产生赤潮。

海水养殖废水与工业废水和生活污水相比，海水养殖废水具有两个明显的特点，即潜 在污染物的含量低和水量大，由于海水的盐度效应和海水养殖废水污染结构的特殊性，增加 了养殖废水的处理难度。目前，国内外海水养殖废水主要有物理、化学、生物等几类。物理 方法是用沉淀池沉淀、砂滤池过滤和用沸石粉吸附，将水中的杂质和污物去除，但对可溶性 有机物、无机物及总N、P等的去除效果不佳；较早使用的海水养殖废水化学处理方法,如硫 酸铜、漂白粉、孔雀石绿等水质改良剂虽然也能对养殖后的废水进行一定的处理,但由于这些 方法会对环境产生二次污染,并且有的方法还会对人体造成伤害,现在已禁止使用；目前海水 养殖废水生化处理中应用较多的是生物接触氧化、生物转盘、生物流化床等工艺,与物化技 术相比具有投资低、不易产生二次污染等优点,但由于养殖废水的盐度效应,使得这些工艺中 的生物相总体代谢选择性和有效微生物比例较低,系统的单位体积处理负荷不高，并且处理周 期较长。

海水电池是泛指以海水作为电解质的电池。一般是指在海洋环境中的以海水作为电解 质的化学电源。它依靠阳极金属材料在海水中的腐蚀溶解提供阳极放电电流，而阴极则主要 依靠海水中的溶解氧在惰性电极上进行还原反应提供阴极电流，成功应用在大功率海水电池 中的阳极材料集中在镁合金和铝合金上，这主要是由于镁、铝具有优于其他金属的阳极性能， 如电极电位负、密度小、比容量高等。海水养殖废水属于高浓度盐溶液，既含有海水成分主 要的Na⁺、Cl^-、Mg²⁺、Ca²⁺、SO₄^2-、HCO₃^-，又含有养殖过程形成的硝酸盐、亚硝酸盐、氨 氮、磷等无机盐，使得废水的电导率比海水还更高，为电池反应的进行提供了直接的、更好 的条件，保证电极反应中的离子定向移动，形成稳定持续的电流。

发明内容

本发明结合海水电池技术和化学沉淀法，提供一种基于海水电池技术将海水养殖废水 中氮磷转化成磷酸铵镁的装置。该装置不仅能去除海水养殖废水中的氨氮和磷，缓解养殖水 域水质恶化，生成的磷酸铵镁是一种有价值的农业肥料，达到变废为宝的目的，还能一定程 度上解决海湾养殖区因电力不足带来的诸多问题。

为实现本发明的目的采用的技术方案是：装置以原电池工作原理为模式，以金属镁或 镁合金为海水电池负极，钛、钛合金或石墨为海水电池正极，以富含Na⁺、Cl^-、Mg²⁺、Ca²⁺、 SO₄^2-、HCO₃^-海水，以及养殖过程形成的硝酸盐、亚硝酸盐、氨氮和磷为电解质溶液，构成 装置的工作单元。其中负极与正极之间还连接有蓄电池，工作单元的下底面设置有抽屉状的 沉淀物收集盒。当如上所述的装置电路连接后作为负极的金属镁失去电子后产生的Mg²⁺,与海 水养殖废水中的NH₄⁺、PO₄^3-结合生成磷酸铵镁沉淀(MgNH₄PO₄·6H₂O)，将废水中的氮和 磷同时去除，MgNH₄PO₄·6H₂O是一种有价值的农业肥料，达到变废为宝的目的。同时输出 的电能储存于蓄电池中，供养殖户所需。

所述的装置，上半部侧面设置有海水溢出口。

所述的装置，外侧面包裹有设置的气囊，通过空气泵对气囊充气后依靠气囊的浮力不 仅能有效托起装置是指保留漂浮状态，而且通过气囊充气饱满度的调节使漂浮状态的装置吃 水线正好低于装置侧面设置的海水进出口处，进而保证装置内部的海水始终处于相对恒定的 高度。

所述的处理装置，可以由1～10个工作单元串联而成，构成装置内工作单元Ⅰ、工作 单元Ⅱ、工作单元Ⅲ、工作单元Ⅳ、工作单元Ⅴ……，每一个工作单元采用金属镁为海水电 池负极，钛为海水电池正极。

所述的串联，是指第一个工作单元的负极与下一个工作单元正极相连，如此负极、正 极串联相接，最后再将第一个工作单元的正极与装置中最后一个工作单元的负极连接到蓄电 池中，将电池的电能储存在蓄电池内供试用。

本发明具有的优点和积极效果是：1、镁负极失去电子产生的Mg²⁺,与海水养殖废水中 的NH₄⁺、PO₄^3-结合生成MgNH₄PO₄·6H₂O沉淀，将废水中的氨氮和磷去除，无需外加药剂， 节约成本；2、处理效率高、速度快，氨氮去除率可达90％以上；磷去除率可达95％以上；3、 装置不大，漂浮于养殖区，不占地，成本较低；4、一个装置内可以由1-10个的工作单元， 也可将多个装置串联排列，提高处理效率，提高输出电压；5、生成MgNH₄PO₄·6H₂O沉淀 是一种肥效很好的农业肥料，回收利用，实现废物资源化利用，产生经济效益。

附图说明

图1是本发明所述的装置结构正面剖视图。

图2为本发明所述的装置俯视图。

具体实施方式

为进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，结合附图，例举以下实施例，详细说 明如下：

图1中，1是蓄电池；2是电池负极；3是装置体；4废水单元省略符号，表示该装置的废水 单元数可以视情况定制；5是气囊，位于装置体的外侧面；6是设置在装置体(3)下底面的 抽屉状的沉淀物收集盒；7是空气泵，空气泵(7)与气囊(5)相连；8是装置内海水溢出口； 9是电池正极；10是工作单元中电池负极和电池正极之间的挡泥隔板，使得生成物更容易沉 淀。图1中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ分别代表装置的工作单元，每个装置可以设置1-10个工作单 元。

图2中，5是气囊，位于装置体的外侧面；7是空气泵，空气泵(7)与气囊(5)相连。

实施例1

如图1所示，装置共设置有工作单元Ⅰ、工作单元Ⅱ、工作单元Ⅲ、工作单元Ⅳ、工作单元 Ⅴ共5个工作单元，每一个工作单元采用金属镁为海水电池负极，钛为海水电池正极，工作 单元Ⅰ的负极与工作单元Ⅱ正极相连、工作单元Ⅱ的负极与工作单元Ⅲ正极相连、工作单元 Ⅲ的负极与工作单元Ⅳ正极相连、工作单元Ⅳ的负极与工作单元Ⅴ的正极相连，工作单元Ⅰ 的正极与工作单元Ⅴ的负极连接有蓄电池，每个工作单元的下底面设置有抽屉状的沉淀物收 集盒。

使用时，在启动空气泵(7)对气囊(5)进行充气的同时，也对装置进行注水，依靠 气囊(5)的浮力有效托起装置并保留漂浮状态，调节气囊(5)充气饱满度使漂浮状态的装 置吃水线高于装置侧面的溢出口(8)，进而保证装置内部的海水始终处于相对恒定的高度。 所述的装置设置好后，运行3h，废水处理前后各污染物浓度及输出电压见表一。

表一：废水处理前后各污染物浓度及输出电压数据表

实施例2

装置结构如实施例1，不同的是以石墨为海水电池正极，同时共有7个工作单元。海水养殖 废水注入装置，运行3.5h，废水处理前后污染指标见表二。

表二：废水处理前后各污染物浓度及输出电压数据表