鸟粪石结晶成粒技术回收污泥液中磷的中试研究

吴 健,平 倩,李咏梅(同济大学环境科学与工程学院,污染控制与资源化研究国家重点实验室,上海 200092)

鸟粪石结晶成粒技术回收污泥液中磷的中试研究

吴 健,平 倩,李咏梅*(同济大学环境科学与工程学院,污染控制与资源化研究国家重点实验室,上海 200092)

为了探究鸟粪石(MAP)结晶成粒技术在实际工程中的应用条件及价值,利用鸟粪石中试反应器处理无锡某污水处理厂污泥脱水液,确定了鸟粪石结晶成粒技术回收磷的最佳工况:pH=9.0,摩尔比 N:P:Mg=4:1:1.3,反应周期为 4d.最佳条件下脱水液磷回收率达 85%,收获的鸟粪石平均粒径为0.74mm,纯度可达98.23%.收获的MAP颗粒为规则斜方晶结构,品质较好,颗粒纯度高杂质少.经济分析表明,鸟粪石结晶成粒技术回收每吨污泥液中磷的药剂成本为0.38元.

鸟粪石结晶成粒；中试；最佳工况；颗粒表征；经济分析

磷既是环境水体富营养化的控制因素,又是一种单向流动、日益匮乏的不可再生资源[1].据预测,全球可供开采的磷矿资源只能维持100年左右[2];而自然界中的磷经使用后最终约 80%随污水排放

[3].因此,通过技术手段从污水中回收利用磷以实现其再生循环,是一个亟待解决的重大课题.

鸟粪石(MgNH4PO4•6H2O,MAP)结晶成粒技术,不仅可以有效地去除污水中的氮磷,而且回收的MAP纯度高、颗粒大(mm级)、便于收集和运输,同时克服了鸟粪石沉淀法收获的鸟粪石晶体细小、难以从水中分离且易堵塞管道的缺点,具有较高的环境和经济效益,因此得到了广泛的关注[3-5].Elisabeth等[6]用容积为 143L的中试反应器处理奥克斯利溪(Oxley Creek)污水处理厂的污泥脱水上清液(61±5mgPO43--P/L),磷回收率可达 94%,生成的鸟粪石颗粒平均粒径为110μm;Battistoni等[7]处理污水处理厂厌氧上清液(30～50mgPO4-P/L),中试流化床处理规模为2m³/d,鸟粪石晶体在流化床内成核效果良好,磷去除率可达 75%;Ping等[8]利用流化床小试反应器处理污水处理厂TSS浓度为34mg/L的污泥脱水液(150±5mgPO4-P/L),磷去除率可达 87%, MAP平均粒径为1.36mm.虽然鸟粪石结晶成粒技术在国外已有工程运用[9-11],但是国内的研究仍集中在小试阶段,研究多为鸟粪石沉淀法.

本研究利用流化床中试反应器对实际污泥脱水液中的磷进行回收,通过考察不同因素的影响得出反应的最佳工况,并进行 MAP颗粒品质表征与经济分析,以期为 MAP结晶成粒技术运用到实际工程中提供技术参考.

1 试验材料与方法

1.1 试验水质

试验处理对象为无锡某污水处理厂的污泥脱水液(表1),试验添加氯化铵(NH4Cl)、六水合氯化镁 (MgCl2·6H2O)分别补充氮源和镁源,并根据不同实验条件调整氮源和镁源投加量,采用0.25mol/L的氢氧化钠溶液为外加碱液.

表1 中试处理污泥液水质Table 1 Characteristics of the sludge dewatering liquor

1.2 试验装置与运行

试验装置为有机玻璃制成的流化床反应器(图1),装置主要包括流化床反应器、沉淀池、pH在线监测系统和自动加药系统4部分.其中,流化床反应器总体积54L,总高3m,处理规模为2m³/d,从下至上分为进水区、晶体收集区、晶体生长区和沉淀区.脱水液在进水区与外加氯化镁溶液迅速混合;当晶体尺寸逐渐增大时,可以克服上升水流的作用落入反应器底部;反应器每周期连续运行4～8d,每天测定进水、流化床出水和沉淀池出水中PO4

3--P等指标的浓度,并在一个反应周期结束后,从收集区取出MAP颗粒,室温自然干燥后进行颗粒品质分析[3].

探究不同pH值、离子浓度、反应时间及温度对鸟粪石结晶成粒的影响,并结合经济分析,寻求处理实际污泥脱水液时鸟粪石成粒的最佳条件.试验初始运行工况为前期小试研究得出的最佳运行工况[3,12]:水力停留时间(HRT)41min,收集区上升流速 400cm/min,反应器连续运行8d,pH=8.2,离子摩尔比PO43-:NH4+: Mg2+=1:6:1.1,在每周期运行前均投加 150g鸟粪石晶种[平均粒径(220±30)μm]以提高MAP结晶速率[13].

图1 鸟粪石结晶成粒中试装置示意Fig.1 Schematic diagram of the pilot-scale struvite pellet crystallization system

1.3 水质分析方法

PO43--P采用钼锑抗分光光度法(UV-754)测定,金属离子采用电感耦合等离子发射光谱仪(Agilent-ICP-720ES)测定[14].

1.4 MAP品质表征方法

鸟粪石纯度计算公式[15]为:

式中:CN为颗粒溶解后测得的NH4+-N浓度,mg/L; V为过滤液定容的体积,L;MN为 N的摩尔质量,g/mol;MMAP为鸟粪石的摩尔质量,g/mol;mp为溶解鸟粪石颗粒的质量,g.

鸟粪石平均粒径计算如下:采用不同目数的筛子逐级筛取鸟粪石颗粒,称量不同粒径区间的MAP质量,计算公式[3]为:

式中:ai、bi分别为粒径区间边界值;wi为此区间颗粒质量百分比.

pH值在线监测系统采用DP 5000型pH控制器(Milton Roy,美国),控制器由控制面板和外接pH探头两部分组成,将pH探头装入中试反应器上以实时监测流化床内部pH值.

利用水温计(LM61-WQG-17)测量污泥脱水液及沉淀池出水温度,取两者平均值为反应温度.

利用扫描电子显微镜(SEM,型号 PHLIPSXL30),X射线衍射(XRD,型号D8-Advance)及X射线能量散射谱分析仪(EDX,型号 PHLIPSFD-1C-80)对收获的 MAP颗粒进行组分与形态分析.

2 结果与讨论

2.1 最佳工况的确定

2.1.1 反应时间的影响 如图2所示,反应器处理前4d,磷的去除率、鸟粪石纯度、鸟粪石体积增长率均呈上升趋势;且随着反应时间的增加,鸟粪石颗粒的平均粒径逐渐增大,从反应第 1d的0.45mm增至第8d的0.63mm,最大粒径都在0.8～1.0mm之间.然而当培养时间大于 4d时,由于生成的颗粒体积逐渐增大,在生长区出现了部分颗粒结块的现象,从而导致流化过程不畅,使得磷去除率与鸟粪石生长速率逐渐降低.因此,选择反应周期4d为最佳条件.

图2 不同反应时间下磷去除率与MAP颗粒变化趋势Fig.2 The removal efficiency of PO43--P and the growth of MAP at different reaction time pH=8.2, N/P/Mg=6/1/1.1

2.1.2 pH值的影响 pH值对离子去除率的影响:随着pH值的升高,PO43--P去除率逐渐提高(图3),这是因为pH值会影响MAP中3种构晶离子(NH4+、PO43-和Mg2+)在溶液体系中达到平衡时的活度和存在形式,进而影响溶液过饱和度;一般而言,溶液的过饱和度越高,生成沉淀的推动力越大[16].当 pH＜8时,虽然溶液中的氨氮主要以NH4+形式存在,但是溶液中的H+的浓度较高,这会阻碍鸟粪石的形成,导致 PO43--P去除率较低

[17];当pH值从8上升到9时,溶液过饱和度逐渐提高,这有利于鸟粪石沉淀产生,从而导致磷去除率的上升[18].当 pH＞9时,溶液属于极度过饱和状态,pH值的增加对各离子去除率无明显提高作用,但鸟粪石纯度开始下降,这可能是由于 pH值增加导致溶液中水镁石(Mg(OH)2)等杂质生成潜力增大,且过高的 pH值会导致溶液中的NH4+-N转换为NH3,使得鸟粪石不易形成[15].此外,当pH=9.0时,磷去除率、鸟粪石纯度及周期鸟粪石生成量(经济性)均较高,因此,选择pH=9.0为MAP结晶成粒的最佳条件.

图3 不同pH值条件下磷去除率、MAP纯度及生成量Fig.3 The removal efficiency of PO43--P, the purity and generation of MAP at different pH N/P/Mg=6/1/1.1,反应周期4d

如图4所示,pH值在9.0以下时,鸟粪石颗粒内部以短柱状晶体为主,为鸟粪石晶体的斜方晶结构,与文献[19]报道一致;当 pH值升至 9.4时,晶体内部附着更多杂质,且排列杂乱无章,这与鸟粪石纯度降低而生成其他杂质有关.可见,升高pH值,虽然有利于PO43--P的去除,但是并不利于鸟粪石颗粒以晶体定向排列机理生长,随着系统pH值升高至9.0以上时,由于更多杂质离子附着于鸟粪石晶体表面,鸟粪石颗粒更倾向于以微小 沉淀团聚凝结机理生长.

图4 不同pH条件下鸟粪石颗粒的SEM图Fig.4 SEM images of the MAP at different pH

表2 不同pH值条件下鸟粪石EDX分析比较Table 2 Quantitative analysis of MAP by EDX at different pH

为了确定鸟粪石颗粒的主要杂质成分,对pH=8.2和pH=9.0条件下生成的鸟粪石颗粒进行了EDX元素分析(表2).从表2可以看出,颗粒中的主要元素为C、O、Mg、P、Ca,且pH值的改变会使得颗粒中元素比例发生变化.当pH=8.2时,颗粒中Mg/P原子比为0.90(纯净鸟粪石Mg/P=1),说明有部分磷形成了除鸟粪石外的其他沉淀,如无定形磷酸钙(Ca5(PO4)2·xH2O, ACP)等[19];此外Ca原子的存在也说明了进水中的Ca2+会在鸟粪石反应过程中竞争磷酸根,生成如ACP等的钙沉淀[16].当pH=9.4时,Mg/P原子比为1.16,即镁原子过量,表明了颗粒中存在镁盐杂质,如水镁石等.Zhou等[17]研究表明,Mg(OH)2在pH＞9.0后逐渐开始形成,且生成量随着pH提高而逐渐增多,这也是pH=9.4时鸟粪石纯度急剧下降的原因.

2.1.3 镁磷摩尔比的影响 当镁磷摩尔比为1.1～1.7时,PO43--P的去除率、周期鸟粪石生成量随摩尔比的增长而增长,MAP纯度在M/P=1.3达到最高后逐渐下降(图5).溶度积规则和同离子效应共同作用导致了磷的这种趋势变化,镁磷摩尔比升高时,溶液中 Mg2+浓度增大,有利于化学平衡向生成鸟粪石的方向进行[20].此外,Katsuura[21]的研究表明:pH=9.0时,磷的去除率在镁/磷摩尔比大于 1.3时不再增长;Siegrist[22]与 Jaffer等[11]研究认为:为避免 Ca2+与 Mg2+竞争磷酸盐,镁磷摩尔比应为1.3.因此,综合考虑离子去除效果、鸟粪石纯度及相对经济性,选择Mg/P摩尔比为1.3为最佳条件.

图5 不同Mg/P摩尔比条件下磷去除率、MAP纯度及生成量Fig.5 The removal efficiency of PO43--P, the purity and generation of MAP at different Mg/P molar ratios pH=9.0, N/P=6/1,反应周期4d

图6 不同N/P摩尔比条件下磷去除率、MAP纯度及生成量Fig.6 The removal efficiency of PO43--P, the purity and generation of MAP at different N/P molar ratios pH=9.0, Mg/P=1.3/1,反应周期4d

2.1.4 氮磷摩尔比的影响 氮磷摩尔比从2增加到8时,磷的去除率逐渐提高,鸟粪石纯度显著升高后趋于稳定(图6).PO43--P的去除率随氮磷摩尔比的增大而增大,这是因为过量的 NH4+将提高离子活度积,促使反应向生成鸟粪石的方向进行,从而提高磷的去除率.Korchef等[23]研究结果也表明:NH4+离子的过量有利于PO43--P离子的去除,也有利于鸟粪石晶体的形成;也有研究表明:NH4+-N的过量不仅可以提高PO43--P离子的去除率,而且剩余的氨离子还可起到提高鸟粪石纯度的作用[24],这可能是由于过量的 NH4+-N可以稳定溶液的 pH,从而有利于鸟粪石的生成

[25-26].此外,当 N/P=4时,鸟粪石的平均粒径达到最大为 0.74mm,周期鸟粪石生成量显著升高,综合考虑离子去除率、MAP品质特征及相对经济性,选择P/N 摩尔比为1:4 为最佳条件.

2.1.5 温度的影响 试验对比了初始工况和最佳工况在不同实际温度(冬季5℃和夏季25℃)条件下的P去除率、鸟粪石纯度及粒径的变化(表3).在低温条件下,磷去除率与鸟粪石纯度均有较小程度的提升,但是并不明显.这可能是由于温度降低时,鸟粪石的溶解度降低,当温度从 25℃降低至5℃时,Ksp(鸟粪石溶度积)从14.6×10-14降低至 5.42×10-14,而溶液的过饱和度与 Ksp呈负相关,Ksp减小,过饱和度上升,从而导致鸟粪石结晶推动力增大[27].污水处理厂实际废水的温度相对稳定,因此,在实际运行状态下,温度对MAP结晶反应的影响很微弱,可以忽略不计.

表3 不同温度下磷去除率与MAP颗粒生长情况Table 3 The removal efficiencies of PO43--P and the growth of MAP at different temperature

2.2 最佳工况下MAP颗粒品质表征

中试最佳工况(pH=9.0,N/P/Mg =4/1/1.3,反应周期4d)下收获的鸟粪石XRD谱图及鸟粪石标准谱图如图 7所示.中试运行中形成颗粒的XRD图谱与标准图谱的特征峰吻合较好,通过Jade软件分析的匹配产物也为鸟粪石,F值为1.8,从而证明了收获的颗粒确实为鸟粪石晶体.

如图8所示,将颗粒放大50倍时,可观察到颗粒形状为圆球状,晶体聚集部分比较紧密,但存在空隙,表面比较粗糙且存在附着物;将颗粒放大500倍可以看到构成鸟粪石的晶型为斜方晶结构,与文献[23]的研究相符,且棒状晶体的形状较规则.

图7 最佳工况下收获的鸟粪石颗粒XRD图Fig.7 The XRD images of harvested struvite particles under optimal condition

图8 最佳工况下收获的鸟粪石颗粒SEM图Fig.8 The SEM images of harvested struvite particles under optimal condition

EDX元素定量分析结果如表 4所示:Ca的原子百分比仅为 1.73,即杂质钙沉淀如 Ca3(PO4)2·xH2O或 CaCO3的量较少,这也与前面的纯度结果匹配;Mg/P摩尔比为 1.09,说明除鸟粪石外,还生成了少量其他镁盐杂质.

表4 EDX定量分析结果Table 4 Quantitative analysis of MAP by EDX

2.3 经济分析

在最佳条件下,鸟粪石中试系统运行一个周期(4d)可收获2.1kg鸟粪石,结合目前工业级药剂价格以及鸟粪石的市场价格(表5),如果只计算药剂费用,处理1t污泥脱水液的成本为0.38元.由于本课题处理的污泥液氨氮浓度很低,所以投加了大量氨盐,如果处理氨氮过量的溶液,如污泥发酵液、畜禽养殖废水等,则可提高鸟粪石产量并大幅降低氨盐成本,从而提高鸟粪石结晶成粒法的经济效益.

表5 中试药剂费用分析Table 5 Reagent costs in pilot scale test

3 结论

3.1 采用流化床结晶成粒反应器处理磷浓度为50mg/L左右的污泥脱水液的最佳条件为:pH= 9.0,摩尔比 N:P:Mg=4:1:1.3,反应周期为 4d,温度(5～25℃)的影响可忽略不计,此工况下脱水液磷去除率可达 85%,生成的鸟粪石平均粒径可达毫米级(0.74mm),纯度可达98.23%.

3.2 pH＞9.0时,鸟粪石纯度急剧降低,SEX与EDX分析表明生成了Mg(OH)2、ACP等杂质.

3.3 形成MAP颗粒的晶型为规则斜方晶结构,品质较好,纯度高,证明此中试系统可有效进行污泥液磷回收的工程应用.

3.4 经济分析结果表明,处理 1t污泥脱水液的成本为0.38元,镁盐与氨盐是减少药剂成本的重点,若处理氮磷比更高的废水,则可以实现更好的经济效益.

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A pilot-scale study on struvite pellet crystallization for phosphorus recovery from sludge liquor.

WU Jian, PING Qian, LI Yong-mei*(State Key Laboratory of Pollution Control and Resources Reuse, College of Environmental Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China). China Environmental Science, 2017,37(3)：941～947

In order to investigate the application conditions and product quality of struvite (MAP) pellet crystallization technology in actual engineering, a pilot-scale MAP reactor was used to recover phosphorus from sludge liquor derived from a sewage treatment plant in Wuxi. The optimal conditions for the struvite pellet formation were confirmed as follows: pH = 9.0, N:P:Mg molar ratio =4:1: 1.3, reaction time=4d. Under the above optimal conditions, the recovery efficiency of PO43--P reached 85%, the average size of the harvested struvite particles was 0.74mm, and the struvite purity reached 98.23%. The harvested struvite particles have rhombic structure and with high purity. Economic analysis indicates that the total pharmaceutical cost of struvite pellet crystallization for phosphorus recovery is 0.38yuan/t sludge liquor.

struvite pellet crystallization；pilot scale study；optimal conditions；characterization of particle；economic analysis

X703

A

1000-6923(2017)03-0941-07

吴 健(1992-),男,江苏扬州人,同济大学环境科学与工程学院硕士研究生,主要从事污水处理与资源化方面的研究.

2016-07-10

国家“863”计划项目(2011AA060902);水体污染控制与治理科技重大专项(2015ZX07306001-03)

* 责任作者, 教授, liyongmei@tongji.edu.cn