一种微生物电解池原位回收高纯度鸟粪石的方法技术

本发明专利技术属于微生物电化学领域，公开了一种微生物电解池原位回收高纯度鸟粪石的方法，该方法是将含磷废水、含磷污泥中的至少一种加入到微生物驯化后的微生物电解池中，施加外部电压进行微生物电解反应一段时间后即可析出得到鸟粪石沉淀；所述外部电压小于水的电解电压。本发明专利技术利用微生物电解池(MEC)技术，并采用小于电解水的微电压，可有效解决异位结晶获得鸟粪石耗时长，纯度不高，颗粒小沉降分离性能差等问题，大大降低电能消耗；并且，本发明专利技术基于原位反应，在不需要搅拌的前提下，加快了鸟粪石晶体成核速率和提高鸟粪石晶体成长速率，突破鸟粪石晶体生长的极限，增加鸟粪石的粒径和提高鸟粪石的纯度，实现高纯度鸟粪石的原位结晶回收。

【技术实现步骤摘要】
一种微生物电解池原位回收高纯度鸟粪石的方法
本专利技术属于微生物电化学领域，更具体地，涉及一种微生物电解池原位回收高纯度鸟粪石的方法。
技术介绍
磷元素是地球中广泛使用的元素，对生物体生长过程中必不可少的元素之一。磷也是不可再生资源，在自然界和人类使用过程中，造成大量的磷元素排放进入水体造成水体富营养化，造成巨大的经济损失和环境危害。同时一部分磷沉积在海洋和地质层中，减少了可以利用的磷的含量。从废水中回收磷元素不仅可以避免磷元素导致的富营养化，同时避免磷元素的沉积增加自然界磷的循环过程增加磷的可利用量。磷的回收主要分为化学沉淀法、生物法以及电化学回收法。目前以鸟粪石沉淀回收含磷废水中磷元素的研究受到关注。鸟粪石(Mg(NH4)PO4·6H2O)是一种优良的氮磷缓释肥料，在回收磷的同时回收氮素，可以在富含氮磷元素的生活污水、动物废水及污泥脱水滤液中结晶形成。形成鸟粪石是从污水中去除氮磷污染物并同时变废为宝的有效途径。简单的化学沉淀法回收鸟粪石往往伴随着磷灰石、碳酸钙等晶体共生，导致鸟粪石纯度不高。生物法回收磷元素对微生物依懒性强，回收的产物不能直接作为磷肥利用。电化学法需要较高电压才能产生较高纯度法鸟粪石，对电能的消耗大。另外，本专利技术专利技术人在前研究得到了一种中性芬顿调理剩余污泥微生物电解产氢回收磷的方法(可参见中国专利申请2018104321423)，尽管其也公开了一种利用MEC产氢并得到鸟粪石沉淀的方法，但该方法局限于剩余污泥厌氧消化后的上清液作为磷回收的原料，并且对于所沉淀的鸟粪石的质量和纯度没有做进一步的研究，本专利技术通过进一步研究改良优化了微生物电解池反应结构，调整阴极和阳极的间距，降低反应中的过电势，提高电能利用效率，同时更换了阴极材料，使阴极电极更加适用于鸟粪石晶体的附着；减少搅拌过程，避免对鸟粪石晶体成核过程的干扰，同时避免对鸟粪石沉淀的阻碍；本专利技术新优化后的方法扩大磷回收的原料，减少前期预处理步骤，同时有效改善了回收得到的鸟粪石其颗粒大小和纯度等性质，扩大该方法的应用范围。本专利技术通过微生物电解池的构建，在一个较低的电压(小于水的电解电压)条件下，在外部电压的作用下，组成鸟粪石晶体的各种离子在阴极电极形成晶胚，并不断结合到晶胚上，晶体逐渐长大。微生物电解池中加快物质传质，加快鸟粪石晶体成核速率和提高鸟粪石晶体成长速率，突破鸟粪石晶体生长的极限，形成大颗粒鸟粪石晶体，实现高纯度鸟粪石的原位回收。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术的目的在于提供一种微生物电解池原位回收高纯度鸟粪石的方法，其中利用微生物电解池(即MEC)技术，并采用小于水的电解电压的微电压，可有效解决异位结晶获得鸟粪石耗时长，纯度不高，颗粒小沉降分离性能差等问题，大大降低电能消耗；并且，本专利技术基于原位反应，在不需要搅拌的前提下，加快了鸟粪石晶体成核速率和提高鸟粪石晶体成长速率，突破鸟粪石晶体生长的极限，增加鸟粪石的粒径和提高鸟粪石的纯度，实现高纯度鸟粪石的原位结晶回收，由此解决鸟粪石异位回收操作繁琐，鸟粪石颗粒较小、纯度不高，回收成本高的技术问题，可见，本专利技术利用含磷废水或含磷污泥回收鸟粪石，突破了传质限制，得到了高纯度鸟粪石，并减少了操作步骤、缩短了反应时间。为实现上述目的，按照本专利技术，提供了一种微生物电解池原位回收高纯度鸟粪石的方法，其特征在于，该方法是将含磷废水、含磷污泥中的至少一种加入到微生物驯化后的微生物电解池中，施加外部电压进行微生物电解反应一段时间后即可析出得到鸟粪石沉淀；所述外部电压小于水电解的电压。作为本专利技术的进一步优选，所述微生物电解池包括与直流稳压电源正负两极分别相连的阳极电极和阴极电极，该直流电源用于向所述微生物电解池的所述阳极电极和所述阴极电极之间施加0.3-1.3V的电压；所述阳极电极优选采用碳刷或碳毡，所述阴极电极优选采用碳刷，所述阳极电极和所述阴极电极均通过钛丝与连接该直流电源的导线相连；并且，所述碳刷具有稳定的形态结构。作为本专利技术的进一步优选，在所述微生物电解池与所述直流电源相连形成的电路中，还包括有一个已知电阻值的电阻，该电阻的电阻值为10Ω-100KΩ。作为本专利技术的进一步优选，所述含磷废水具体为磷肥产业废水、填埋场剩滤液、生活污水中的至少一种；所述含磷污泥具体为经污水处理厂生物除磷浓缩后的剩余污泥；在所述微生物电解反应开始前，所述微生物电解池中还添加有镁元素和氨氮；其中，所述镁元素来自于海水、废盐卤、氯化镁中的至少一种；所述氨氮来自于氨水、厌氧消化上清液、粪水、电镀工业废水、畜禽养殖废水、垃圾渗滤液中的至少一种；在所述微生物电解反应开始前，所述微生物电解池中整体的电解质溶液其pH值被调节至8～11。作为本专利技术的进一步优选，所述微生物电解反应的反应时长为30min-10h；优选的，所述鸟粪石沉淀将主要沉降于所述微生物电解池的底部。作为本专利技术的进一步优选，对于所述微生物电解池，其微生物驯化过程具体是在向所述微生物电解池中加入碳源溶液，并向所述微生物电解池通入保护性气体排尽该微生物电解池中溶液所含氧气的条件下进行的；所述碳源溶液中的碳源优选为葡萄糖、乙酸钠、淀粉、蛋白质中的至少一种；所述保护性气体为纯度均不低于99.999％的氮气、氩气、氦气中的至少一种；并且，在所述微生物驯化过程开始前，所述微生物电解池中还添加有磷酸缓冲液，以及微生物生长所需的矿物质和营养元素；其中，所述磷酸缓冲液浓度为50mM-200mM；所述矿物质同时包括K、Fe、Mg、Ca、Na、Cu、Ni、Al及Co矿物质元素；所述营养元素同时包括维生素H族及维生素B族营养元素。作为本专利技术的进一步优选，所述微生物电解池为双室MEC反应器或者单室MEC反应器，优选为H型反应器、立方型反应器或柱形反应器；所述微生物电解池容器本身具体是采用高硼玻璃或有机玻璃，所述微生物电解池通过硅胶塞或者橡胶塞实现容器内部的气密性；优选的，所述微生物电解池的体积为28mL-1L。作为本专利技术的进一步优选，当所述微生物电解池为双室MEC反应器时，两室之间通过阴离子交换膜相隔开。作为本专利技术的进一步优选，在所述微生物电解反应中，所述微生物电解池的阴极电极还将产生氢气；这些氢气优选采用气袋、注射器或集气瓶来收集。通过本专利技术所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于微生物电解池技术的作用，能够取得降低电能消耗，且在不需要搅拌的前提下，突破传质限制，得到高纯度鸟粪石，减少操作步骤，缩短反应时间。本专利技术避免使用搅拌工艺，主要是考虑到在搅拌存在的情况下将不利于鸟粪石晶体的在阴极材料表面附着成核和生长。微生物电解池阳极上阳极产电菌将有机物降解产生电子，电子在外加电压作用下，迁移至阴极，在阴极表面与质子结合产生氢气；同时合成鸟粪石的铵根离子、镁离子也由于电压的作用在阴极附近聚集，阴极碳刷为鸟粪石晶体的形成提供位点，鸟粪石晶体附着在碳刷上成核，并不断生长。阴极区域磷酸根合成鸟粪石后，阴极区磷酸根离子浓度降低，阳极区磷酸根由于浓度差的作用向阴极区扩散，使阴极区磷酸根不断与铵根和镁离子结合，鸟粪石晶体不断增长，形成大颗粒鸟粪石沉淀后，在重力作用下沉至微生物电解池底部。这个过程度不断循环直至反应器中磷酸根消耗完。常规鸟粪石化学沉淀法得到的鸟粪石晶体多为不定型结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微生物电解池原位回收高纯度鸟粪石的方法，其特征在于，该方法是将含磷废水、含磷污泥中的至少一种加入到微生物驯化后的微生物电解池中，施加外部电压进行微生物电解反应一段时间后即可析出得到鸟粪石沉淀；所述外部电压小于水电解的电压。

【技术特征摘要】
1.一种微生物电解池原位回收高纯度鸟粪石的方法，其特征在于，该方法是将含磷废水、含磷污泥中的至少一种加入到微生物驯化后的微生物电解池中，施加外部电压进行微生物电解反应一段时间后即可析出得到鸟粪石沉淀；所述外部电压小于水电解的电压。2.如权利要求1所述微生物电解池原位回收高纯度鸟粪石的方法，其特征在于，所述微生物电解池包括与直流稳压电源正负两极分别相连的阳极电极和阴极电极，该直流电源用于向所述微生物电解池的所述阳极电极和所述阴极电极之间施加0.3-1.3V的电压；所述阳极电极优选采用碳刷或碳毡，所述阴极电极优选采用碳刷，所述阳极电极和所述阴极电极均通过钛丝与连接该直流电源的导线相连；并且，所述碳刷具有稳定的形态结构。3.如权利要求2所述微生物电解池原位回收高纯度鸟粪石的方法，其特征在于，在所述微生物电解池与所述直流电源相连形成的电路中，还包括有一个已知电阻值的电阻，该电阻的电阻值为10Ω-100KΩ。4.如权利要求1所述微生物电解池原位回收高纯度鸟粪石的方法，其特征在于，所述含磷废水具体为磷肥产业废水、填埋场剩滤液、生活污水中的至少一种；所述含磷污泥具体为经污水处理厂生物除磷浓缩后的剩余污泥；在所述微生物电解反应开始前，所述微生物电解池中还添加有镁元素和氨氮；其中，所述镁元素来自于海水、废盐卤、氯化镁中的至少一种；所述氨氮来自于氨水、厌氧消化上清液、粪水、电镀工业废水、畜禽养殖废水、垃圾渗滤液中的至少一种；在所述微生物电解反应开始前，所述微生物电解池中整体的电解质溶液其pH值被调节至8～11。5.如权利要求1所述微生物电解池原位回收高纯度鸟粪石的方法，其特征在于，所述微生物电解反应的反...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯慧杰，李珍，胡敬平，刘冰川，徐继坤，潘可亮，杨家宽，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42