[发明专利]一种基于微生物燃料电池的氨回收装置

说明书

技术领域

本发明涉及氨回收装置。

背景技术

在生活废水中，人体尿液贡献了将近80％的氮和50％的磷，而尿液却占废水体积的1％。在市政废水处理过程中，营养水平过高会增加处理工艺的成本。对于活性污泥中的反硝化过程来说，污泥停留时间相对较长，污泥回流和曝气需要额外的电能。通过沉淀法去除磷需要加入三价铁或铝的化学试剂。生物反硝化过程也需要大量反应器创造缺氧和厌氧条件，同时为废水的内循环提供泵送能力。如果实现源分离尿液，因营养物去除所需的额外成本就可以大幅减少。源分离尿液可以把尿液作为原料，实现营养物质的回收，如磷酸镁铵(MgNH₄PO₄)和气态氨(NH₃)。尽管源分离尿液有许多好处，但在营养成分的实际回收过程中仍面临许多挑战。首先，为了大幅降低营养物质的浓度，需要用大量的冲洗水对小便器和坐便器内的尿液进行稀释。为了避免收集系统出现的沉淀和堵塞问题，一定程度的稀释是必要的。其次，尿素的快速水解大幅增加pH,pH过高易导致收集管道表面生成磷酸镁铵沉淀。因此，尿液收集系统的维护也需要将源分离尿液稀释到磷酸镁铵溶解限之下。为了高效回收营养成分，还需将收集到的尿液浓缩到溶解限之上。如源分离尿液可以直接利用，再浓缩过程就可以免除。源分离尿液中的成分回收可以通过各种处理工艺如蒸发、冻融、反渗透或电渗析来实现，但这些技术依然耗能巨大。

生物电化学系统尤其是微生物燃料电池在有机废水资源化方面已获得广泛研究和关注。微生物燃料电池不仅可以处理常规有机废水，并实现电流输出，而且也可以处理高盐高有机负荷的尿液。尿液具有丰富的无机盐，不仅具有适宜细菌生长的生长因子，而且能够增强溶液的电导率。对单室空气阴极微生物燃料电池来说，功能细菌在阳极降解有机物之后，释放的质子和电子分别通过内、外电路在空气阴极参与氧气的还原，因此免去了曝气过程。研究证实，源分离的尿液可以不经稀释直接被微生物燃料电池处理。随着尿素的水解，产生的铵根在电迁移的作用下在阴极区积聚，由于碱性环境增强，铵根会转化氨气和溶液中的游离氨一起，通过阴极扩散到环境当中去。另外，游离氨在反应器中积聚会对阳极生物膜的活性造成毒害，及时将氨排出微生物燃料电池系统也是保证系统运行的必要条件。

铵盐不仅是一种必需营养成分，也是一种重要的氮源。农业生产中，大规模施用铵盐肥料也是增加粮食作物产量的一种重要手段。工业上生产铵盐通常采用哈伯-博施工艺(HabereBosch process)，但该工艺能耗大，成本高。如何实现将尿素水解的氨气进行回收，同时保障微生物燃料电池系统的长期稳定运行，以及解决常规废水处理过程中由于尿液存在造成氮、磷处理成本和能耗高的问题，将是本发明关注的重点。

发明内容

本发明是要解决常规废水处理过程中由于尿液存在造成氮、磷处理成本和能耗高的技术问题，而提供了一种基于微生物燃料电池的氨回收装置。

本发明一种基于微生物燃料电池的氨回收装置由有机玻璃腔体、石墨碳刷阳极、电阻器、密封胶塞、第一带有鲁尔接头的密封胶塞、数据采集系统、线路、碳布空气阴极、可控流速的气泵、盛有稀硫酸的吸收瓶、水洗瓶、第二带有鲁尔接头的密封胶塞、第三带鲁尔接头的胶塞、氮气瓶、气体流量计、第二硅胶管路、第一硅胶管路、无孔有机玻璃盖板和有孔有机玻璃盖板、橡胶圈和第三硅胶管路组成；

有机玻璃腔体、石墨碳刷阳极、电阻器、密封胶塞、第一带有鲁尔接头的密封胶塞、数据采集系统、线路、碳布空气阴极、无孔有机玻璃盖板和有孔有机玻璃盖板和橡胶圈组成微生物燃料电池装置；有机玻璃腔体内设有石墨碳刷阳极和碳布空气阴极，有机玻璃腔体上端设有进水口和出水口，进水口瓶口处设有密封胶塞，出水口瓶口处设有第一带有鲁尔接头的密封胶塞，石墨碳刷阳极与电阻器的一端通过线路相连接，电阻器的另一端与数据采集系统的一端通过线路相连接，数据采集系统的另一端与碳布空气阴极通过线路相连接，在石墨碳刷阳极一侧的有机玻璃腔体外部设有无孔有机玻璃盖板并通过螺栓固定，在碳布空气阴极一侧的有机玻璃腔体外部设有有孔有机玻璃盖板并通过螺栓固定，在有机玻璃腔体与有孔有机玻璃盖板之间设有橡胶圈；

第二带有鲁尔接头的密封胶塞、第一硅胶管路和盛有稀硫酸的吸收瓶组成氨吸收装置；盛有稀硫酸的吸收瓶瓶口处设有第二带有鲁尔接头的密封胶塞，第一硅胶管路的一端通过第二带有鲁尔接头的密封胶塞伸入盛有稀硫酸的吸收瓶内，第一硅胶管路的另一端通过第一带有鲁尔接头的密封胶塞伸入有机玻璃腔体内；