一种磷酸铵镁-电氧化一体化集成装置及其同步脱氮除磷方法

摘要

本发明公开了一种磷酸铵镁—电氧化一体化集成装置及其同步脱氮除磷方法，属于废水处理领域。本发明的磷酸铵镁—电氧化一体化集成装置包括磷酸铵镁电氧化结晶系统和氮电氧化系统，磷酸铵镁电氧化结晶系统包括反应基和阳极B；氮电氧化系统包括反应基和阳极A；反应基包括电化学仪表、切换开关、参比电极、铁屑、阴极和反应器，参比电极和阴极通过导线并联，并分别和电化学仪表连接后垂直状态悬浮于反应器中，铁屑能够通过磁力搅拌悬浮于反应器中；切换开关和电化学仪表通过导线连接后能够分别和阳极A、阳极B进行切换式连接。本发明只需通过电极的简单切换，就可达到同步脱氮除磷的作用，操作简单，可实现自动化运行，并且不会产生新的污染源。

说明书

技术领域

本发明涉及废水处理技术领域，具体涉及一种用于城市污水、垃圾渗漏液、化肥厂废水处理的磷酸铵镁—电氧化一体化集成装置及其同步脱氮除磷方法。

背景技术

随着我国污水处理事业的蓬勃发展，国家对污水排放要求也越来越严格，但是由氮、磷污染引起的水体富营养化问题不仅没有解决，而且有日益严重的趋势。我国在2002年最新颁布的《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中要求所有城镇污水处理厂出水排入稀释能力较小的河流作为城镇景观用水和一般回用水等用途时，执行一级标准的A标准，即TN＜15mg/L、NH4-N＜5mg/L(水温低于12℃时＜8mg/L)、TP＜0.5mg/L。由此可见，污水处理的主要矛盾已由有机污染物的去除转变为氮、磷污染物的去除。目前，我国几乎所有的城镇污水处理厂都面临着同一个难题，即脱氮和除磷无法同时达到最佳效果，究其原因主要为：

基于微生物硝化和反硝化机制中：1、污水COD/N/P比值偏低，碳源不足成为反硝化脱氮和生物除磷的限制性因素；2、硝化菌、反硝化菌和聚磷菌对泥龄、环境条件等的要求不同，硝化菌和聚磷菌的数量较少且无法同时处于各自最佳的生存状态。此外，在高纬度地区秋冬季水温较低，微生物代谢活性减弱，氮、磷去除率进一步降低。

基于物理化学过程的研究成果衍生了包括物理化学吸附法、吹脱法、异丁醛沉淀法、电化学氧化法和磷酸铵镁(MgNH₄PO₄·6H₂O,Magnesiumammoniumphosphate,MAP)结晶沉淀法等新技术，然而，目前氮磷污染物处理技术中的生物硝化/反硝化、吹脱、物理化学吸附、MAP化学结晶、电化学氧化等技术，但很难同时去除城市污水中的氮、磷等元素。

中国专利公布号CN101555068，公开日：2009.10.14的专利文献公开了一种生活污水常低温同时脱氮除磷好氧颗粒污泥的培养方法属于污水处理领域，特征是SBR反应器采用2～10的高径比和50～67％的容积交换率，不调控水温。沉淀时间为30～50min，逐渐缩短为1～3min；或将沉淀时间设置为5～8min，逐渐缩短至1～3min。在生化反应过程中，以溶解氧浓度DO、氧化还原电位ORP和pH值作为实时控制参数，实时控制搅拌时间(反硝化、放磷)、曝气时间(有机物氧化、硝化、反硝化、好氧吸磷、反硝化吸磷)。该发明可提高硝化菌和聚磷菌的含量、以厌氧/好氧方式实现低COD生活污水常低温好氧颗粒污泥同时脱氮除磷，解决污水处理系统时间程序控制导致的运行效率低、氮、磷处理不稳定的问题。该发明利用的是基于微生物硝化和反硝化机制，需要投加化学药剂，如果处理不好，很容易产生新的二次污染。

发明内容

1.要解决的技术问题

针对污水处理工艺中硝氮、氨氮和磷酸盐难于同步去除及基于微生物硝化和反硝化机制处理容易产生新污染的技术问题，本发明提供了一种磷酸铵镁—电氧化一体化集成装置及其同步脱氮除磷方法。只需通过电极的简单切换，就可达到同步脱氮除磷的作用，操作简单，可实现自动化运行，并且不会产生新的污染源。

2.技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

一种磷酸铵镁—电氧化一体化集成装置，包括磷酸铵镁电氧化结晶系统和氮电氧化系统，磷酸铵镁电氧化结晶系统包括反应基和阳极B；氮电氧化系统包括反应基和阳极A；反应基包括电化学仪表、切换开关、参比电极、铁屑、阴极和反应器，其中：参比电极和阴极通过导线并联，并分别和电化学仪表连接后垂直状态悬浮于反应器中，铁屑悬浮于反应器中；切换开关和电化学仪表通过导线连接后分别和阳极A、阳极B进行切换式连接，分别形成氮电氧化系统和磷酸铵镁电氧化结晶系统。

进一步的方案，阳极B材料为镁合金电极；铁屑通过磁力搅拌悬浮于反应器中；参比电极为汞或氯化银电极。

进一步的方案，阳极A材料为DSA(Ti/RuO₂-TiO₂-IrO₂-SnO₂)或SnO₂、IrO₂、Ti/RuO₂电极；反应器为四氟乙烯反应器。

进一步的方案，阳极A和阳极B在反应器中前后或并排平行设置，或位于阴极的前后两侧和阴极互相平行设置。

进一步的方案，切换开关为智能切换开关；阴极材料为铁板。

进一步的方案，反应器形状为圆型或方型。

进一步的方案，还包括垂直插入并悬浮于反应器中的pH—温度值双显器。

进一步的方案，铁屑用量不超过反应器容量的10％。

一种同步脱氮除磷方法，具体步骤为：

A、将含氮、磷废水注入反应器内；

B、参比电极、电化学仪表和阴极连接好，使其处于工作状态；

C、将切换开关切换至阳极B，电化学仪表进行电流、电压的调控；

D、开启磁力搅拌，使铁屑处于流化悬浮状态；

E、调节pH至弱碱性；

F、开启电源，通过电解反应脱除废水中的磷酸盐和部分氨氮，产物为磷酸铵镁晶体；

G、将切换开关切换至阳极A，其它线路和电化学仪表保持开启状态；

H、过剩的氨氮、硝氮在电氧化作用下转化成氮气；

I、反应结束后，断电，上清液排放后沉淀物回收。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的一种磷酸铵镁—电氧化一体化集成装置，磷酸铵镁结晶采用镁电极释镁，有效地降低了磷酸铵镁结晶的药剂费用，而且镁电极可循环使用；同时不需新增工艺，采用二种电极，就可达到同时去除废水中氮和磷酸盐的目的，而硝态氮的处理在目前脱氮工艺中，是比较头疼的一个难题，而本发明反应装置，可有效解决这个难题；

(2)本发明的一种磷酸铵镁—电氧化一体化集成装置，体现了磷酸铵镁—电氧化一体化技术可以同步脱除废水中的氨氮、硝氮和磷酸盐。本发明中的磷酸铵镁—电氧化一体化技术包括磷酸铵镁结晶除磷和电氧化脱氮二个技术单元，采用镁电极提供镁盐，与废水中的氨氮和磷酸盐形成磷酸铵镁；通过阳极切换，采用DSA或SnO₂、IrO₂、Ti/RuO₂为阳极，通过电氧化方法脱除废水中的硝氮及氨氮，达到同步去除废水中硝氮、氨氮和磷酸盐的目的。现有技术中，反应器的结构和高效电解反应器的开发是电化学技术应用过程中的关键技术之一，目前还没有电氧化脱氮除磷一体化反应器应用实例。本发明通过简单的阳极切换，就可以达到同步脱氮除磷的效果，同时对环境不会造成二次污染，是“环境友好”型技术；

(3)本发明的一种磷酸铵镁—电氧化一体化集成装置，针对目前电极反应过程中电极钝化是一个无法解决的难题，而本发明装置，在反应器中填充铁屑，一方面，流化态的铁屑具有一定的冲击力，阻碍晶体颗粒在电极表面沉淀，另一方面，铁屑在电场作用下所形成的类酚顿体系，起到阻止电极钝化的作用，有利于硝态氮、氨氮的氧化降解；

(4)本发明的一种磷酸铵镁—电氧化一体化集成装置，废水进入结晶反应槽，通过磁力搅拌，保持铁屑处于流化态，通过电化学控制仪表精准控制电流电压，参比电极为汞或氯化银电极，外接pH计和温度计，镁阳极及氮氧化电极平行分布或分布于阴极的两侧，通过开关自动切换；反应器为圆形或方形，电极间距自由调节；

(5)本发明的一种磷酸铵镁—电氧化一体化集成装置，阳极A和阳极B在反应器中只要和阴极互相平行设置，和流化态的铁屑协同作用产生类酚顿体系，即能达到电氧化脱氮除磷一体化反应的目的，各元件位置的设置相对容易，对废水的处理操作简便，适用面广；

(6)本发明的一种磷酸铵镁—电氧化一体化集成装置，反应器形状为圆型时，有利于铁屑的流化，同时没有死角，有利于磷酸铵镁晶体的生长，而大颗粒的磷酸铵镁晶体沉降速率更快，除磷效率高；

(7)本发明的一种同步脱氮除磷方法，虽然磷酸铵镁的最佳结晶pH为9.0-9.5；在pH超过7.5条件下即可形成磷酸铵镁结晶，但pH调节过高，则会增加碱性药剂的费用，因此，经过反复的试验和数据搜集、分析，优选pH值调节至7.5-8.5之间，温度在25℃条件下形成磷酸铵镁结晶效率最高；

(8)本发明的一种同步脱氮除磷方法，能够应用于城市污水、垃圾渗漏液、化肥厂等废水处理，应用范围广。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是本发明结构示意图。

图中：1、电化学仪表；2、pH—温度值双显器；3、切换开关；4、参比电极；5、阳极A；6、阳极B；7、铁屑；8、阴极；9、反应器。

具体实施方式

下面结合具体的实施例，对本发明作详细描述。

实施例1

本实施例的一种磷酸铵镁—电氧化一体化集成装置，如图1所示，包括磷酸铵镁电氧化结晶系统和氮电氧化系统，磷酸铵镁电氧化结晶系统包括反应基和阳极B6；氮电氧化系统包括反应基和阳极A5；反应基包括电化学仪表1、切换开关3、参比电极4、铁屑7、阴极8和反应器9，其中：参比电极4和阴极8通过导线并联，并分别和电化学仪表1连接后垂直状态悬浮于反应器9中，铁屑7能够通过磁力搅拌悬浮于反应器9中；切换开关3和电化学仪表1通过导线连接后能够分别和阳极A5、阳极B6进行切换式连接。阳极A5材料为DSA电极。阳极B6材料为镁合金电极。切换开关3为智能切换开关；参比电极4为汞电极；反应器9为四氟乙烯反应器。

本实施例的一种磷酸铵镁—电氧化一体化集成装置各个部件的数量为：1根镁合金电极、1根DSA电极(Ti/RuO₂-TiO₂-IrO₂-SnO₂)、1根汞电极、1台电化学控制仪表、1台pH计、1台温度计、1个智能切换开关、铁屑若干，铁屑用量不超过反应器容量的10％(铁屑用量过少，铁屑剪切力和冲击力作用有限，防止电极钝化效率不佳；铁屑用量过大，一是污泥量随之增大，二是流化难度大大增加，因此根据预实验结果，选择6％为最佳铁屑填充率)、1个四氟乙烯反应器。

本实施例的同步脱氮除磷方法，具体步骤为：

A、将含氮、磷的模拟尿液废水注入四氟乙烯反应器内；

B、参比电极4、电化学仪表1和阴极8连接好，使其处于工作状态；

C、将智能切换开关切换至镁合金电极，电化学仪表1根据水质氮素、磷酸盐浓度进行电流、电压的调控；

D、开启磁力搅拌，使铁屑7处于流化悬浮状态；

E、调节pH至弱碱性(经过检测，磷酸铵镁的最佳结晶pH为9.0-9.5；在pH超过7.5条件下即可形成磷酸铵镁结晶，但pH调节过高，则会增加碱性药剂的费用，因此，经过反复的试验和数据搜集、分析，优选pH值调节至7.5-8.5之间，温度在25℃条件下形成磷酸铵镁结晶效率最高)；

F、开启电源，通过电解反应脱除废水中的磷酸盐和部分氨氮，产物为磷酸铵镁晶体；

G、将切换开关3切换至阳极A5，其它线路和电化学仪表1保持开启状态；

H、过剩的氨氮、硝氮在电氧化作用下转化成氮气；

I、反应结束后，断电，上清液排放后沉淀物回收，处理结果如表1所示。

表1DSA电极电化学法处理模拟尿液废水(Cl^-浓度为600mg/L)

模拟尿液废水 PO₄^3-NH₄⁺NO^3-K⁺浓度(mg/L) 150 900 600 700 上清液残留(mg/L) 13.5 45 42 350 去除率(％) 91％ 95％ 93％ 50％

实施例2

本实施例的一种磷酸铵镁—电氧化一体化集成装置，其基本结构如实施例1，不同之处在于：阳极A5材料为SnO₂电极。阳极A5和阳极B6在反应器9中前后平行设置。阴极8材料为铁板。参比电极4为氯化银电极。应用于城市污水的处理中。

实验结果表明，当阳极材料为SnO₂电极时，城市污水中磷酸盐的去除率为90.3％，但SnO₂电极有利于HO·的积累，对硝氮的去除效率稍高于DSA电极，达到95％，但对氨氮的去除效率反而有所降低，为91％。

实施例3

本实施例的一种磷酸铵镁—电氧化一体化集成装置，其基本结构如实施例2，不同之处在于：还包括垂直插入并悬浮于反应器9中的pH—温度值双显器2。阳极A5材料为IrO₂电极。阳极A5和阳极B6在反应器9中并排平行设置。反应器9形状为圆型。应用于垃圾渗漏液的处理中。

实验结果表明，圆形反应器有利于铁屑的流化，同时没有死角，有利于磷酸铵镁晶体的生长，而大颗粒的磷酸铵镁晶体沉降速率更快，除磷效率高。当电氧化的阳极为IrO₂电极时，IrO₂电极具有选择性氧化的特点，在Cl^-大量存在条件下，模拟废水中氨氮的去除率达到97％，同时硝氮的去除效率也达到90.5％。

实施例4

本实施例的一种磷酸铵镁—电氧化一体化集成装置，其基本结构如实施例2，不同之处在于：还包括垂直插入并悬浮于反应器9中的pH—温度值双显器2。阳极A5材料为Ti/RuO₂电极。阳极A5和阳极B6在反应器9中位于阴极8的前后两侧和阴极8互相平行设置。反应器9形状为方型。应用于化肥厂废水的处理中。

实验结果表明，反应过程中，方型反应器角落有部分铁屑和磷酸铵镁晶体没有流化起来，影响电氧化除磷效率，同时增加了电极钝化的机率。而电氧化阳极材料为Ti/RuO2电极时，氨氮和硝氮的去除率分别为93.5％和91.5％。

以上示意性地对本发明创造及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本专利的保护范围。