一种同步回收污水中氮磷的一体化反应装置和方法

1.本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种同步回收污水中氮磷的一体化反应装置和方法。


背景技术：

2.氮磷污染物的过量排放会导致富营养化，使溶解氧含量急剧下降，水生生物灭绝，破坏水生生态系统平衡，从而危害人体健康。氨氮被视为下一代能源载体，在氮肥生产中不可或缺。磷是所有已知生命形式必不可少的元素，是atp和遗传物质的重要组成部分。磷资源是一种不可再生且不可替代的资源，以目前的开采和使用速度，几百年后就会枯竭。生活污水富含氮和磷资源，从污水中回收氨氮和磷酸盐不仅可以补充氮和磷源，还可进一步减轻水体的富营养化，具有环境和经济双重效益。
3.含氮污水的处理方法包括生物法、离子交换法和膜吸收法等。生物法需要提供大量的化学物质作为电子受体，受温度和水质条件影响较大，且生物法产生的剩余污泥中含有大量有机物和重金属等，会造成二次污染。离子交换法可以有效的降低污水氨氮浓度，可达到出水＜0.5mg/l。然而离子交换材料的容量有限，应对不同氨氮负荷的处理能力差异较大，该工艺的全面实施仍然受到较大挑战。与上述技术相比，膜吸收法具有较高的氨氮回收率，但溶液ph对其效率影响较大，因此，如何保持污水的适宜ph值是一个值得关注的问题。相关研究已经报道了不同的物理和化学方法来回收污水中的磷酸盐。化学沉淀法需要加入大量的化学药剂，会产生大量的污泥。吸附法存在吸附剂消耗大、成本高、去除效率低、吸附速度慢等缺点。由于成本低、操作相对简单、能够同时回收磷和氮的营养物质等优点，鸟粪石结晶法被广泛使用。研究表明鸟粪石结晶需要溶液中有足够镁离子、正磷酸盐、氨氮和碱度，且相关研究发现鸟粪石结晶法最佳结晶条件下氨氮较之正磷酸盐含量需过量。因此，必须寻求一种能够同时提供碱度和镁源的药剂，且亟需开发一种同步回收污水中剩余氨氮的反应器。
4.天然矿物因其价格便宜、储量丰富而引起人们的关注，蛇纹石是一种富含镁的羟基硅酸盐1:1八面体层状矿物，具有丰富的-oh官能团和mg
2+
。且蛇纹石的表面晶体结构在机械球磨活化后被破坏，在水溶液中可以释放出氢氧根和镁离子。基于此，我们采用机械活化的蛇纹石作为镁源和碱源，以回收污水中的氮磷资源，且结合膜吸收法回收污水中剩余的氨氮资源，研发了以氮磷回收为导向的鸟粪石结晶耦合膜吸收的水处理技术，构建了有效回收氮磷的反应装置。


技术实现要素：

5.发明所解决的技术问题是针对污水中氮磷回收的技术需求，克服现有脱氮除磷技术在氮磷回收中存在的不足，从而提供了一种同步回收污水中的氮和磷营养物质的一体化反应装置和方法，以实现水中氮和磷营养物质的高效回收。
6.为了实现以上目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种同步回收污水中氮磷的一体化反应装置和方法，技术原理如图1所示。将活化之后的蛇纹石投加至结晶室，蛇纹石释放出氢氧根和镁离子，产生的氢氧根为体系增加碱度，污水中的磷酸根，氨氮与镁离子在碱性环境下形成鸟粪石晶体，碱性条件下氨气的蒸汽压升高，通过疏水透气膜被膜吸收室捕捉，以硫酸铵的形式回收，从而实现污水中氮和磷的回收。
8.基于上述原理，本发明实现氮和磷营养物质同步回收的过程如下：
9.结晶室：
10.机械活化蛇纹石
→
mg
2+
+oh-[0011][0012][0013]
膜吸收室：
[0014][0015]
所述反应装置如图2所示，包括疏水透气膜1，结晶室2和膜吸收室3；
[0016]
所述疏水透气膜1设在反应器内，将所述反应器分隔为结晶室2和膜吸收室3；
[0017]
所述结晶室2和膜吸收室3由亚克力板4组成；
[0018]
所述结晶室2中投加机械活化蛇纹石5及富含氮磷的污水；
[0019]
所述结晶室2上方设有取样孔6和ph测样孔7；
[0020]
所述的膜吸收室3中投加稀硫酸溶液；
[0021]
所述的疏水透气膜2通过垫片8与螺孔9固定结晶室2和膜吸收室3。
[0022]
所述的一体化反应装置，优选的：结晶室和膜吸收室均采用亚克力板。
[0023]
所述的一体化反应装置的疏水透气膜，优选的：疏水透气膜将结晶室和膜吸收室分隔。
[0024]
所述的一体化反应装置的结晶室，优选的：结晶室中蛇纹石投量为0.6-1.0g/l，富含氮磷污水浓度的污水所述p浓度为≤60mg/l，n浓度≤210mg/l，ph：7.0-9.0。
[0025]
所述的一体化反应装置的膜吸收室，优选的：稀硫酸溶液浓度为1-2mol/l。
[0026]
上述过程的关键在于活化蛇纹石、结晶室、疏水透气膜和膜吸收室的工艺结构组合。反应器材质包括但不限于亚克力板，石英玻璃等。反应器形状包括但不限于长方体，正方体等。其它关键工艺参数包括溶液初始ph、反应时间、活化蛇纹石投量等。
[0027]
利用上述一体化反应装置从污水中回收氮磷，包括如下步骤：
[0028]
1)将待处理含氮磷污水投入结晶室；
[0029]
所述污水ph值为7.0-9.0；
[0030]
所述污水中氨氮质量浓度≤210mg/l；
[0031]
所述污水中磷酸根质量浓度≤60mg/l；
[0032]
将1-2mol/l稀硫酸溶液投入膜吸收室；
[0033]
2)投加活化蛇纹石，改变投量为0.6
ꢀ‑
1.0g/l
[0034]
3)污水在结晶室生成鸟粪石晶体，收集固体可作为肥料，氨氮在膜吸收室生成硫酸铵化学物质。
[0035]
经上述方法处理，污水中氨氮的回收率达到85％以上，正磷酸盐的回收率达到
95％以上。本发明技术特点如下：
[0036]
1)本发明方法可以通过可以机械化学活化蛇纹石释放氢氧根和镁离子，蛇纹石储量丰富，廉价易得，可高效回收污水中的氮和磷；
[0037]
2)本发明通过控制活化蛇纹石投量和水溶液的ph来控制氮磷的回收效率和速率，形成的鸟粪石易于回收并可以用作农作物的化肥。
附图说明
[0038]
图1本发明技术原理图
[0039]
图2鸟粪石结晶耦合膜吸收法的一体化反应装置
[0040]
图中：1-疏水透气膜，2-结晶池，3-膜吸收池，4-亚克力板，5-活化蛇纹石，6-取样孔，7-ph测样孔，8-垫片，9-螺孔
[0041]
图3回收产物sem图谱
具体实施方式
[0042]
下面将结合具体实施例来详细说明本发明，在本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
[0043]
实施例1
[0044]
把活化蛇纹石添加至结晶室中，投加量为0.8g/l。污水含140mg/l nh
4+
，30mg/l po
43-，ph 9.0。加入500ml污水至结晶室，350ml的1m h2so4至膜吸收室。结晶室每隔5min取样一次，膜吸收室每隔30min取样一次，分别检测结晶室的磷酸根浓度，膜吸收室与结晶室中氨氮的浓度，连续运行5小时，回收结果如表1所示，氨氮的回收率为92.8％，磷酸根的回收率为97.33％。
[0045]
表1：实施例1的处理结果
[0046][0047]
实施例2
[0048]
把活化蛇纹石添加至结晶室中，投加量为0.8g/l。污水含140mg/l nh
4+
，30mg/l po
43-，ph 7.0。加入500ml污水至结晶室，350ml的1m h2so4至膜吸收室。结晶室每隔5min取样一次，膜吸收室每隔30min取样一次，分别检测结晶室的磷酸根浓度，膜吸收室与结晶室中氨氮的浓度，连续运行5小时，回收结果如表2所示，氨氮的回收率为85.92％，磷酸根的回收率为97.16％。
[0049]
表2：实施例2的处理结果
[0050][0051]
实施例3
[0052]
把活化蛇纹石添加至结晶室中，投加量为1.0g/l。污水含210mg/l nh
4+
，30mg/l po
43-，ph 7.0。加入500ml污水至结晶室，350ml的1m h2so4至膜吸收室。结晶室每隔5min取样一次，膜吸收室每隔30min取样一次，分别检测结晶室的磷酸根浓度，膜吸收室与结晶室中氨氮的浓度，连续运行5小时，回收结果如表3所示，氨氮的回收率为82.52％，磷酸根的回收率为97.83％。
[0053]
表3：实施例3的处理结果
[0054][0055]
实施例4
[0056]
把活化蛇纹石添加至结晶室中，投加量为0.8g/l。污水含168mg/l nh
4+
，30mg/l po
43-，ph 9.0。加入500ml污水至结晶室，350ml的1m h2so4至膜吸收室。结晶室每隔5min取样一次，膜吸收室每隔30min取样一次，分别检测结晶室的磷酸根浓度，膜吸收室与结晶室中氨氮的浓度，连续运行5小时，回收结果如表4所示，氨氮的回收率为92.61％，磷酸根的回收率为96.83％。
[0057]
表4：实施例4的处理结果
[0058][0059]
实施例5
[0060]
把活化蛇纹石添加至结晶室中，投加量为0.6g/l。污水含140mg/l nh
4+
，20mg/l po
43-，ph 9.0。加入500ml污水至结晶室，350ml的1m h2so4至膜吸收室。结晶室每隔5min取样一次，膜吸收室每隔30min取样一次，分别检测结晶室的磷酸根浓度，膜吸收室与结晶室中氨氮的浓度，连续运行5小时，回收结果如表5所示，氨氮的回收率为94.71％，磷酸根的回收率为95.75％。
[0061]
表5：实施例5的处理结果
[0062][0063]
实施例6
[0064]
把活化蛇纹石添加至结晶室中，投加量为0.8g/l。污水含140mg/l nh
4+
，60mg/l po
43-，ph 9.0。加入500ml污水至结晶室，350ml的1m h2so4至膜吸收室。结晶室每隔5min取样一次，膜吸收室每隔30min取样一次，分别检测结晶室的磷酸根浓度，膜吸收室与结晶室中氨氮的浓度，连续运行5小时，回收结果如表6所示，氨氮的回收率为93.28％，磷酸根的回收率为98.16％。
[0065]
表6：实施例6的处理结果
[0066]

技术特征：
1.一种同步回收污水中氮磷的一体化反应装置和方法，其特征在于：活化蛇纹石释放出氢氧根和镁离子，产生的氢氧根为体系增加碱度，污水中的磷酸根，氨氮与镁离子在碱性环境下形成鸟粪石晶体，碱性条件下氨气的蒸汽压升高，通过疏水透气膜被膜吸收室捕捉，以硫酸铵的形式回收，从而实现污水中氮磷的同步回收，所述的活化蛇纹石，是将蛇纹石置于高速行星式球磨机中研磨120-180min。2.按照权利要求1所述的一体化反应装置和方法，包括反应器，疏水透气膜(1)，所述疏水透气膜(1)设在反应器内，将所述反应器分隔为结晶室(2)和膜吸收室(3)；所述结晶室(2)和膜吸收室(3)由亚克力板(4)组成；所述结晶室(2)中投加机械活化蛇纹石(5)及富含氮磷的污水；所述结晶室(2)上方设有取样孔(6)和ph测样孔(7)；所述膜吸收室(3)中投加稀硫酸溶液；所述疏水透气膜(1)通过垫片(8)与螺孔(9)固定结晶室(2)和膜吸收室(3)。3.根据权利要求2所述的一体化反应装置和方法，其特征在于：所述的反应器装置的材质为亚克力板。4.根据权利要求2所述的一体化反应装置和方法，其特征在于：所述的反应器为长方体或正方体。5.根据权利要求2所述的一体化反应装置，其特征在于：结晶池投加富含氮磷污水，膜吸收池投加1-2mol/l的稀硫酸溶液。6.根据权利要求2所述的一体化反应装置，其特征在于：所述含氮磷污水中p浓度≤60mg/l，n浓度≤210mg/l，ph:7.0-9.0。7.根据权利要求2所述的一体化反应装置，其特征在于：结晶池投加蛇纹石，蛇纹石投量为0.6-1.0g/l。8.根据权利要求2所述的一体化反应装置的疏水透气膜，其特征在于：含氮磷污水的水力停留时间控制在为5-6h。

技术总结
本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种同步回收污水中氮磷的一体化反应装置和方法。本发明提出了将活化蛇纹石作为镁源和碱源，建立了鸟粪石结晶法耦合膜吸收法的一体化反应装置。该装置包括反应器，疏水透气膜，疏水透气膜设在反应器内，将反应器分隔为结晶室和膜吸收室，实现了高效回收污水中的氮磷。氮磷回收的效率和速率可通过改变蛇纹石投量和溶液的初始pH来实现灵活调控。本发明提出的一体化反应装置主要用于富含氮磷污水领域，氨氮回收率可到85％以上，正磷酸盐回收率可达95％以上。该装置回收效果好，设计合理，操作方便，高效节能。效节能。效节能。


技术研发人员：赵旭 刘晓月 郝经纬
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：2023.04.28
技术公布日：2023/7/25