一种电化学调控钙质矿物材料除磷的方法技术

本发明专利技术属于电化学和环境保护水处理领域，具体涉及一种电化学调控钙质矿物进行磷去除的方法。利用钙质矿物填充立式柱体，将阴极和阳极插入钙质矿物颗粒中，直流电源供电，含磷废水经动力泵作用，从填充立式柱体底部进入并从柱体上方排水口流出。在填充立式柱腔体内，通电后，利用阳极电化学酸解钙质矿物提供钙离子，并利用阴极OH

【技术实现步骤摘要】
一种电化学调控钙质矿物材料除磷的方法
：本专利技术属于电化学和环境保护水处理领域，具体涉及一种电化学调控钙质矿物进行磷去除的方法。
技术介绍
：磷(P)是植物，动物和人类的必需营养元素。现代农业和工业活动产生大量含P废水，废水中的大部分P以正磷酸盐离子(PO43-)的形式出现，这些废水排入河流湖泊后，对水体造成富营养化，恶化水质环境。因此，对废水中的磷进行去除是必须的。我国《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级标准明确规定总磷最高允许排放浓度是0.5～1mg/L。另外，根据2018《中国生态环境状况公报》，全国111个重要湖泊(水库)中V类和劣V类共占比16.2％，总磷为三大污染指标之一，可见我国当前整体水环境状况亦不乐观。随着环境政策日益趋严，市场未来对磷去除技术的需求会日趋迫切，因此，开发绿色先进的除磷技术，实现低成本高效除磷具有很重要的意义。目前水中磷去除技术主要包括化学混凝沉淀法、生物法和吸附法。化学混凝沉淀即通过加入化学药剂,使之与废水中溶解性的磷反应生成悬浮态的磷,并将其滞留。目前用于化学混凝沉淀法除磷的三大除磷剂分别为:钙盐、铝盐及铁盐。而石灰、硫酸铝、聚合氯化铝铁等是最常使用的化学除磷剂。此法的缺点是需要添加大量化学药剂，处理成本高，产泥量大，容易造成二次污染。生物法生物除磷的基本原理可以分为2大类：第1类是以聚磷菌为主；第2类是以反硝化聚磷菌为主。其缺点是对环境条件要求较高，驯化培养微生物耗时，需要持续添加药剂调整pH，且经生物除磷工艺处理后的出水中总磷难以稳定达标。吸附法具有操作简单，有稳定的磷去除能力并且能够使磷回收成为可能的优点，但吸附法主要适用于处理低浓度的氮磷废水，并需要考虑吸附剂的回收问题，同时吸附剂可重复利用的次数不多，也使该法成本较大，在实际应用中有局限性。专利技术专利CN108675403A公开了一种电化学鸟粪石结晶回收污水氮磷的方法。该专利技术给出具体的实现技术方案如下：采用双室电解池，用阳离子交换膜将阳极室和阴极室分隔开，阳极室投加阳极液和镁质矿物，阴极室投含氮磷污水，外接直流电源和电阻。工作过程为电解系统通入直流电，阳极电极将H2O分解成O2和H+并释放出电子，电子经外电路到达阴极，H+与阳极室中的镁质矿物反应生成Mg2+，电场力驱Mg2+通过阳离子交换膜从阳极室迁移至阴极室，阴极电极利用得到的电子将H2O分解成H2和OH-，阴极室中污水的因OH-生成而得到提升，源自镁质矿物的Mg2+与污水中的PO43-和NH4+在碱性条件下反应形成鸟粪石晶体，从而去除和回收P。该专利技术中阳离子交换膜阻碍了阳极室中H+与阴极室中OH-之间的酸碱中和反应，实现了阳极室和阴极室局部酸碱特征的保持。在该专利技术技术中，若没有该隔膜存在，就不能实现阴极室和阳极室结构，进而，阳极产生的H+和阴极产生的OH-会迅速发生中和反应，使得体系pH保持中性，溶液中的镁质矿物颗粒也就不能解离除镁离子，中性环境也不能形成鸟粪石沉淀，因此，该阳离子交换膜的存在对该专利技术至关重要，但是该隔膜降低了体系中离子交换速度，处理效率低，对于300mL的磷溶液，处理5天，磷的去除率为70％；另外，镁离子溶液结垢，溶液堵塞阳离子交换膜，需要频繁更换，操作不便，成本高。基于对该专利技术的思考，本专利技术提出利用钙质矿石颗粒自身对H+的消耗带来的阴极OH-中和反应失衡作用和局部高浓度离子(Ca2+和OH-)自发向四周扩散的作用，仅使用简单钙质矿物填充柱-电极结构即可实现对磷废水的去除与回收。不但利用钙质矿物降低了钙源成本，还利用阴极产碱作用降低了碱源成本。且在电场、水力、生成气体气浮及填充颗粒阻力的混合作用下，填充柱中Ca2+、PO43-和OH-离子混合效率高，废水处理过程只需单次开路即可，回收效率显著增高。
技术实现思路
：本专利技术的目的是针对含磷废水，提供一种无药剂、低成本、绿色、灵活便捷的除磷技术。为了实现以上目的，本专利技术采用如下技术方案：利用钙质矿物填充立式柱体，将阴极和阳极插入钙质矿物颗粒中，直流电源供电，含磷废水经动力泵作用，从填充立式柱体底部进入并从柱体上方排水口流出。在填充立式柱腔体内，通电后，利用阳极电化学酸解钙质矿物提供钙离子，并利用阴极OH-的累积形成碱性环境，废水中的磷酸根与钙离子在碱性环境下形成羟基磷酸钙沉淀，从而实现废水中磷的去除。进一步地，所述阳极和阴极可为网状、板状或棒状；进一步地，所述阳极电极为析氧电位低、耐酸腐蚀的电极，电极材质包括但不限于纯钛、钛基氧化铱、钛基氧化钌、钛钌铱、玻璃碳、碳棒等；进一步地，所述阴极电极为析氢电位低、耐碱腐蚀的电极，其材质包括但不限于纯钛、不锈钢、石墨烯修饰电极、铂修饰电极、钯修饰电极等；进一步地，所述钙质矿物包括但不限于方解石、石灰石、霰石、大理石、白云石及其组合；进一步地，所述钙质矿物填充立式柱体是填充有钙质矿物颗粒的立式柱体；进一步地，所述填充立式柱包括但不限于圆柱体、方柱体；柱体等效长径比不低于1；其它关键工艺参数包括初始磷浓度、初始pH、电流密度(电流强度)、反应时间(水力停留时间)、电极间距、填充率、填充粒径等；其中初始磷浓度范围10～200mg/L，电流密度0.1～30Am/cm2，停留时间25～120min，电极间距3cm～5cm，填充率一般应为40％～80％，填充粒径根据实际处理装置的大小调整，一般不超过20mm。有益效果：1.本专利技术方法可以实现无药剂添加高效去除废水中的磷，对于初始浓度为10～200mg/L的磷废水，单次开路过程即可使磷的去除率保持在95％以上。2.本专利技术方法采用天然钙质矿物作为钙源，材料来源广泛，方便就地取材，适用于全国各个地区，另外，成本低廉，对环境无污染；3.本专利技术方法采用电化学解离钙质矿物材料并提供碱性环境，过程绿色，效率高，成本低。4.本专利技术方法形成的磷酸盐沉淀可以用作潜在的磷肥，易于回收利用。附图说明：图1工艺流程图。具体实施方式：本专利技术构建的电化学-钙质矿物-填充柱组合工艺结构，利用阳极析出的H+离子酸解钙质矿物产生钙离子，同时消耗了阳极的H+，促使阴极析出的OH-中和反应失衡并持续累积，进而利用阴极累积的OH-离子提供碱性环境，PO43-离子在此环境中与钙离子反应形成羟基磷灰石(Ca10(PO4)6(OH)2)沉淀，从而去除P，整个过程无药剂添加，工艺结构简单成本低、易操作易维护。所述钙质矿物包括但不限于方解石、石灰石、霰石、大理石和白云石，也可以是它们任意比例的复配。所述电化学电源为一般直流电源，电极网为市售常用电极，包括但不限于钛、钛钌、钛钌铱、铂金等材质。所述关键工艺参数包括初始磷浓度、电流密度(电流强度)、反应时间(水力停留时间)、电极间距、填充率、填充粒径等。其中初始磷浓度范围10～200mg/L，电流密度0.1～30Am/cm2，停留时间25～120min，电极间距2cm～5cm，填充率一般应为40％～80％，填充粒径根据实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电化学调控钙质矿物进行磷去除的方法，其特征在于，在填充有钙质矿物颗粒的立体柱内插入电极并接通直流电，将含磷废水通入柱体经停留后排出，实现废水中磷的去除。/n

【技术特征摘要】
1.一种电化学调控钙质矿物进行磷去除的方法，其特征在于，在填充有钙质矿物颗粒的立体柱内插入电极并接通直流电，将含磷废水通入柱体经停留后排出，实现废水中磷的去除。


2.如权利要求1所述的一种电化学调控钙质矿物进行磷去除的方法，其特征在于，所述钙质矿物包括但不限于方解石、石灰石、霰石、大理石或白云石中的至少一种。


3.如权利要求1所述的一种电化学调控钙质矿物进行磷去除的方法，其特征在于，所述电极为网状、板状或棒状。


4.如权利要求1所述的一种电化学调控钙质矿物进行磷去除的方法，其特征在于，阳极电极为析氧电位低、耐酸腐蚀的电极，电极材质包括但不限于纯钛、钛基氧化铱、钛基氧化钌、钛钌铱、玻璃碳或碳棒；
阴极电极为析氢电位低、耐碱腐蚀的电极，材质包括但不限于纯钛、不锈钢、石墨...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵旭，李学伟，
申请(专利权)人：中国科学院生态环境研究中心，
类型：发明
国别省市：北京;11