本发明涉及养殖废弃物中养分回收，具体涉及一种利用电极极性反转进行沼液养分回收及脱色的方法。
背景技术：
1、随着畜牧业的快速发展，养殖模式逐渐转变为规模化、集约化养殖，规模化、集约化的养殖会形成大量的畜禽粪污。现阶段大部分规模化养殖场普遍是采用沼气工程前端处理粪污，但这种方式也会产生大量的沼液沼渣，如何处理沼液沼渣是养殖场的主要难题之一，传统的深度处理达标排放模式，处理成本高，且沼液中含有大量的氮磷营养元素，深度处理会导致资源浪费。
2、现阶段，能够从沼液中回收氮磷养分的技术主要有生物处理、膜分离、化学沉淀、电化学及物理吸附等。其中，磷酸铵镁化学沉淀法（map）是最有前景的氮磷回收技术，需要mg2+、nh4+与po43-等摩尔比例才能形成磷酸铵镁沉淀；该技术能够在回收氮磷的同时，还能形成一种具有价值的缓释功能肥料磷酸铵镁结晶。研究表明map反应能够有效回收沼液中的氮磷，但在处理猪场沼液过程中，由于猪场沼液氨氮浓度高，相比磷含量较低，沼液中n：p：mg的摩尔比要远远大于1:1:1，因此反应体系中镁、磷元素是限制性影响因子。以往研究者们为了提高氮磷回收效率，通过外加磷盐及镁盐作为map反应的磷源、镁源，但这些磷/镁源通常是纯化学品，加上map反应需要外加碱液维持体系ph在9~10，因此导致技术运行成本高，限制了map反应在猪场废水处理中的应用。另一方面，规模化猪场沼气工程还会产生大量固体废渣（俗称沼渣），其含磷量能达到2~5% (w/w)，是属于富磷废弃物；可以利用富磷沼渣作为磷源，对其进行资源化利用。
3、近几年，电化学诱导沉淀法也在废水处理和资源回收方面得到有效应用。典型的电化学系统由阳极、阴极和外部电源组成，在电化学废水处理过程中，水分子在阴极表面发生还原反应，释放氢氧根离子，导致阴极附近的ph值升高，阴极局部高ph环境有利于形成磷酸盐沉淀以回收磷。电化学诱导的磷酸盐沉淀具有通过在阴极附近产生局部高ph环境来实现p回收而无需投加额外的化学品的优点。但在处理高氨氮废水时，由于体系中磷酸盐量及镁盐量含量较低，不足以去除大量的氨氮；同时，废水中的有机质会影响磷的沉淀回收，因此电化学诱导沉淀法存在氮磷回收效率低下的问题。
技术实现思路
1、针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种利用电极极性反转进行沼液养分回收及脱色的方法，解决现有方法从沼液中进行氮磷回收效率低下的问题。
2、为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
3、一种利用电极极性反转进行沼液养分回收及脱色的方法，包括以下步骤：
4、s1：将电化学反应器分为第一反应室和第二反应室，使第一反应室和第二反应室相互连通，并在第一反应室和第二反应室的连接处设置离子交换膜；
5、s2：在第一反应室中以沼渣炭电极为阳极，第二反应室中以镁合金电极为阴极，并使第一反应室和第二反应室内均装有电解液；
6、s3：使沼渣炭电极和镁合金电极通电，电流为a1，通电时间为t1，利用沼渣炭电极通电后对电解液进行电解释放h+，使得电解液的ph下降，电解液酸解沼渣炭电极中的磷，提高电解液内po43-、hpo42-、h2po4-的含量；
7、s4：通过反转电源正负极性，以沼渣炭电极为阴极，以镁合金电极为阳极，使沼渣炭电极和镁合金电极通电，电流为a2，通电时间为t2，利用镁合金电极通电后对电解液进行电解释放h+，使得电解液的ph下降，电解液酸解镁合金电极中的mg2+，在电流流向的作用下，使第二反应室中的mg2+和nh4+转移至第一反应室中；
8、利用沼渣炭电极通电后对电解液进行电解释放oh-，使电解液的ph上升，转移至第一反应室中的mg2+和nh4+与po43-、hpo42-、h2po4-反应形成磷酸铵镁沉淀，获得含有鸟粪石的混合物沉淀和上清液。
9、作为一种优选，步骤s1中，离子交换膜为阳离子交换膜。
10、作为一种优选，步骤s2中，沼渣炭电极的制备方法为：将干燥畜禽沼渣与琼脂树胶按照5:1的质量比混合均匀得到混合材料，再将混合材料置于干燥坩埚中，并用铝箔纸将坩埚包裹，将包裹好的坩埚置于气氛炉中并通入n2，在无氧条件下，使气氛炉升温至500~600℃热解，待反应结束后，置于干燥器中冷却至室温，制得含有灰分磷的沼渣炭电极片。
11、作为一种优选，n2的气流速率为8~8.5 l/h。
12、作为一种优选，升温速率为10~15℃/min，热解的时间为1~1.5h。
13、作为一种优选，步骤s3中，t1为10~12 h，a1为恒流0.4 a。
14、作为一种优选，步骤s4中，t2为3~4 h，a2为恒流0. 2 a 。
15、作为一种优选，步骤s2中，电解液是通过将沼液与氯化钠混合形成。
16、作为一种优选，氯化钠添加量为2~3 g/l。
17、作为一种优选，还包括以下步骤：s5：将步骤s4所得的上清液泵入生化池中作为生化处理的进水，含有鸟粪石的混合物沉淀泵入map沉淀干燥池，通过生物干化，得到富含鸟粪石的沼渣炭基缓释氮-磷肥。
18、发明原理：本发明的方法分为两个部分，一是反转电极前通过牺牲沼渣炭阳极释磷作为map磷源，二是反转电极后通过牺牲镁合金阳极释mg2+，在电流流向的作用下，mg2+和nh4+会通过阳离子膜转移至沼渣炭电极反应室中，再与沼渣炭电极释放的磷在阴极电解时ph上升条件下，形成磷酸铵镁沉淀，回收沼液和沼渣中的氮磷养分。
19、其中，电化学工艺分阴阳两极，随着电化学反应的进行，阳极局部的ph降低，阴极局部的ph升高。发生鸟粪石沉淀需要满足以下几个条件：（1）磷源（沼渣炭电极）、（2）镁源（镁合金片电极）、（3）氨氮（沼液）、（4）ph=9~10（电化学反应阴极ph升高）。
20、开始时沼渣炭电极为阳极，镁合金电极为阳极，此时沼渣炭电极周边ph降低，促进磷的释放。随后反转电极，沼渣炭电极变为阴极，镁合金电极变为阳极，镁合金阳极会电解析出mg2+。此时在电流流向的作用下，mg2+和nh4+会通过阳离子膜转移至设置沼渣炭电极的反应室中，而此时沼渣炭阴极电化学反应ph会升高，因此设置沼渣炭电极的反应室内对于鸟粪石沉淀的四项需求全部满足，从而形成磷酸铵镁沉淀，回收氮磷养分。
21、本发明中沼渣炭电极和镁合金电极是提供鸟粪石的反应（式1）中的mg2+镁源及po43-磷源，从而提高nh4+的回收效果，生成更多的鸟粪石（磷酸铵镁）；鸟粪石沉淀的机理如下（n = 0、1或2，基于溶液ph值）：
22、mg2++ nh4++hnpo43-n+6h2o→mgnh4po4·6h20↓ +nh+，式（1）；
23、本发明采用畜禽养殖场的沼渣，是属于富磷废弃物，其含磷量能达到2~5% (w/w)；同时沼渣也含有丰富的碳元素，是制备生物炭电极的理想材料；因此，沼渣经过炭化后，可以利用其富磷特性作为磷源，不仅降低磷源成本，而且利用畜禽养殖场产生的废弃物沼渣治理沼液，实现“以废治废”的原位处理理念。利用电化学过程中阴阳电极ph变化，牺牲阳极释放沼渣炭电极的磷；再通过反转电极，牺牲阳极释放镁合金电极的镁；并在电流作用下mg2+和nh4+通过阳离子膜转移至沼渣炭电极反应室中与沼渣炭电极释放的磷，在阴极ph升高条件下形成磷酸铵镁沉淀，回收氮磷。通过反转电极解决了传统电化学中只能单一提供磷源/镁源、氨氮回收效果低问题，实现在未更换电极及添加外部化学品情况下，在一个电化学反应器中同时供应磷源、镁源，提高了氨氮回收效果。同时在反应过程中未添加外部碱调节ph，降低了处理成本，减少其他元素污染。
24、总的说来，本发明具有如下优点：
25、1.本发明的方法通过电化学诱导沉淀法牺牲沼渣炭电极为map提供了大量磷源，减少外部化学品投入，加快沼渣废弃物高效转化，提高氮磷回收效率，降低成本，实现沼液沼渣的无害化、资源化、高值化处理，为磷酸铵镁化学沉淀法实际应用于猪场废弃物养分回收提供一种经济上可行的创新方法。
26、2.本发明的方法首次利用反转电极极性，牺牲镁合金电极为map提供了大量镁源，同时利用阳离子膜及电流作用，mg2+和nh4+通过阳离子膜转移至沼渣炭电极反应室中，从而能够满足发生鸟粪石沉淀反应的条件，加快沼渣废弃物高效转化，提高氮磷回收效率，降低成本，实现沼液沼渣的无害化、资源化、高值化处理。
27、3.本发明的方法首次利用反转电极极性，沼渣炭电极由阳极转变为阴极，ph升高，使得从镁合金电极反应室中转移的mg2+和nh4+与反转电极前沼渣炭电极释放的磷形成磷酸铵镁沉淀，从而能够满足发生鸟粪石沉淀反应的条件，加快沼渣废弃物高效转化，提高氮磷回收效率，降低成本，实现沼液沼渣的无害化、资源化、高值化处理。
28、4.本发明的方法首次提出利用养殖场内部沼渣废弃物中的磷作为map磷源，不仅降低磷源成本，而且通过反转电极解决了传统电化学中只能单一提供磷源/镁源、氨氮回收效果低问题；以废弃物富磷沼渣炭治理富氮沼液，从而实现了“以废治废”的原位处理理念。
1.一种利用电极极性反转进行沼液养分回收及脱色的方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.按照权利要求1所述的一种利用电极极性反转进行沼液养分回收及脱色的方法，其特征在于：步骤s1中，离子交换膜为阳离子交换膜。
3.按照权利要求1所述的一种利用电极极性反转进行沼液养分回收及脱色的方法，其特征在于，步骤s2中，沼渣炭电极的制备方法为：将干燥畜禽沼渣与琼脂树胶按照5:1的质量比混合均匀得到混合材料，再将混合材料置于干燥坩埚中，并用铝箔纸将坩埚包裹，将包裹好的坩埚置于气氛炉中并通入n2，在无氧条件下，使气氛炉升温至500~600℃热解，待反应结束后，置于干燥器中冷却至室温，制得含有灰分磷的沼渣炭电极片。
4.按照权利要求3所述的一种利用电极极性反转进行沼液养分回收及脱色的方法，其特征在于：n2的气流速率为8~8.5 l/h。
5.按照权利要求3所述的一种利用电极极性反转进行沼液养分回收及脱色的方法，其特征在于：升温速率为10~15℃/min，热解的时间为1~1.5 h。
6.按照权利要求1所述的一种利用电极极性反转进行沼液养分回收及脱色的方法，其特征在于：步骤s3中，t1为10~12 h，a1为恒流0.4 a。
7.按照权利要求1所述的一种利用电极极性反转进行沼液养分回收及脱色的方法，其特征在于：步骤s4中，t2为3~4 h，a2为恒流0. 2 a 。
8.按照权利要求1所述的一种利用电极极性反转进行沼液养分回收及脱色的方法，其特征在于：步骤s2中，电解液是通过将沼液与氯化钠混合形成。
9.按照权利要求8所述的一种利用电极极性反转进行沼液养分回收及脱色的方法，其特征在于：氯化钠添加量为2~3 g/l。
10.按照权利要求1-9任一项所述的一种利用电极极性反转进行沼液养分回收及脱色的方法，其特征在于，还包括以下步骤：s5：将步骤s4所得的上清液泵入生化池中作为生化处理的进水，含有鸟粪石的混合物沉淀泵入map沉淀干燥池，通过生物干化，得到富含鸟粪石的沼渣炭基缓释氮-磷肥。
