[发明专利]一种生物电化学回收污水氮磷同步固碳制氢系统和方法

说明书

一种生物电化学回收污水氮磷同步固碳制氢系统和方法，系统包括生物阳极室、产酸室、脱盐室、阴极室和吸收室，依次用双极膜、阴离子交换膜、阳离子交换膜和透气疏水膜分隔；产酸室与吸收室由两管相连并设有泵，使酸液在两室间循环流动。外加电压下，生物阳极降解污水有机物产生电子、H⁺和CO₂，电子经外电路到达阴极，CO₂用石灰水封存；双极膜产OH^‑进入阳极室中和H⁺，维持其中性环境；双极膜产H⁺进入产酸室；脱盐室为产酸碱提供酸根和阳离子；阴极接收电子产H₂和OH^‑，OH^‑提升污水pH为回收PO₄^3‑提供碱性环境，同时促进NH₄⁺转为NH₃逸出。产酸室酸液流至吸收室吸收经透气疏水膜透过的NH₃，同步提纯H₂。本发明实现了污水氮磷同时回收，同步固碳并获得副产品碳酸钙和氢气。

技术领域

本发明属于环境工程中的污水处理及资源回收的技术领域，具体涉及一种生物电化学回收污水氮磷同步固碳制氢系统和方法。

背景技术

污水如尿液、粪污发酵液、污泥发酵液、养殖发酵液、垃圾填埋场渗滤液、垃圾焚烧厂渗沥液、有机废水发酵液、有机废物发酵液等中含有较高浓度的有机物、铵氮及磷酸根，这些废水若直接排放会造成环境污染，引起自然水体黑臭或富营养化。该类污水的现有处理方式主要有生物法、鸟粪石法、吹脱-吸收法回收铵氮及羟基磷灰石法回收磷酸根等。生物法主要为厌氧、缺氧和好氧相组合的方法，处理工艺较为成熟，但面对较高浓度氮磷时处理效果不佳。鸟粪石法原理为镁离子、铵氮及磷酸根在适宜条件下发生沉淀反应生产磷酸铵镁沉淀，可以实现同步回收污水氮磷；但其对pH较为敏感，所适pH范围较窄，实际运行时操作要求严格；且耗碱及额外镁源，增加了回收成本；此外，由于污水中氮磷摩尔比通常较高，大部分铵氮不能回收，需要后续处理。吹脱-吸收法仅能回收污水铵氮，还存在酸、碱成本高、操作规程严格、易泄露、能耗高等问题。羟基磷灰石法仅能回收污水磷酸根，还存在碱成本高、无定型钙含量高等问题。

发明内容

针对现有技术处理含较高浓度碳氮磷的污水所面临的酸碱消耗大的不足，本发明首要目的是提供一种用于电化学回收污水氮磷同步固碳制氢系统和方法。该装置利用微生物电解水原理，经离子交换膜分隔，在微生物电解室内自行产酸碱，用于满足污水氮磷回收的酸碱需求，同步实现碳封存和制取氢气。

上述目的通过以下技术方案实现：

一种生物电化学回收污水氮磷同步固碳制氢系统，包括生物阳极室(1)、产酸室(2)、脱盐室(3)、阴极室(4)和吸收室(5)；设置在生物阳极室(1)与产酸室(2)之间的双极膜(8)、设置在产酸室(2)与脱盐室(3)之间的阴离子交换膜(9)、设置在脱盐室(3)与阴极室(4)之间的阳离子交换膜(10)、设置在阴极室(4)与吸收室(5)之间的透气疏水膜(11)。

所述生物阳极室(1)注满碳氮磷污水，包括但不限于尿液、粪污发酵液、污泥发酵液、养殖发酵液、垃圾填埋场渗滤液、垃圾焚烧厂渗沥液、有机废水发酵液和有机废物发酵液；所述阴极室(4)中注入经生物阳极室(1)去除有机物后的污水；

产酸室(2)及吸收室(5)中注满低浓度电解质溶液；

所述脱盐室(3)中注满盐溶液或含盐污水；

所述阴离子交换膜(9)选自季胺型、吡啶季胺型、伯胺型、仲胺型、叔胺型及混合胺型膜中的一种以上；

所述阳离子交换膜(10)均选自磺酸型、磷酸型、膦酸型、羧酸型、酚型及苯酚磺酸膜中的一种以上；

所述透气疏水膜(11)选自聚四氟乙烯膜、聚偏氟乙烯膜和聚乙烯膜中的一种以上；