基于生物膜对城市污水磷酸盐富集液的蓝铁矿结晶研究

作     者：周剑 

作者单位：苏州科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：潘杨

授予年度：2022年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 

主      题：蓝铁矿 生物膜 富磷溶液 流化床结晶反应器 磷回收 

摘      要：目前城市污水磷回收广泛采用基于生物强化除磷(EBPR)工艺的污泥上清液或者浓缩液进行富集,进而以鸟粪石结晶的方式回收磷酸盐,但其存在反应条件苛刻、回收效率不理想等缺点。蓝铁矿因其铁盐廉价易得且晶体的高价值,作为磷回收的新形式受到广泛关注。现有的以蓝铁矿的形式回收磷的研究中:一种是从污泥中回收,磷回收率约90%,纯度为43.32-55.70%左右,但存在产物复杂,产物中除蓝铁矿外还有污泥,难于分离利用;而且磷回收率不稳定,纯度都相对不高。本研究提出了一种新的磷回收工艺系统,采用生物膜法(BSBR)+流化床反应器分别完成磷酸盐的富集和结晶,可以实现对城市污水中磷酸盐的高效在线回收。本研究以模拟城市污水经生物膜富集后的磷回收液为对象,不仅规避了蓝铁矿晶体与污泥分离的问题,而且利用流化床结晶反应器开展诱导结晶回收蓝铁矿工艺研究,获取了稳定高效的磷回收率和纯度,以及粒径大的蓝铁矿晶体。在本研究中,研究了流化床结晶反应器内HRT、进水磷浓度和上升流速对磷回收率(PR)、纯度(CR)以及晶体粒径的影响,并且探究了连续批次对蓝铁矿晶体生长的影响。实验结果表明,进水磷浓度为140 mg·L,上升流速控制在15 m·h,HRT为5 h的时候,PR达到了95.30%,CR达到了88.23%;在此最优条件下对回收的晶体颗粒以自身为晶种进行多次循环,经过7次循环结晶,蓝铁矿晶体粒径达到了270.5μm;最后通过热力学分析配合MINTEQ3.1软件分析p H值对蓝铁矿结晶生成的影响并且考察减少投加Fe源的可行性,并且结果表明:通过利用自发成核生成的晶体作为晶种,可以在连续结晶操作中实现减少Fe源的投加,而且能够形成纯度更高(86.78%)的大粒径蓝铁矿晶体(120μm左右)。通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM-EDS)和X射线光电子能谱技术(XPS)技术对回收的晶体颗粒进行表征,光学显微镜(SEM)中显示了5μm和50μm尺寸下的晶体颗粒的形态呈板状,与蓝铁矿大致形状相似,能谱图(EDS)中可以看出,Fe、P、O这三个主要元素的含量百分比与蓝铁矿的组成非常接近。XRD图谱在出现的一系列衍射角度(11.148°、13.144°等)出现的一系列的特征峰与蓝铁矿标准图谱(#83-2453)相同。XPS图谱结合半定量分析进一步证明回收的晶体颗粒为蓝铁矿晶体Fe(PO)·8HO。通过上述表征,可以证明得到的晶体颗粒为蓝铁矿晶体Fe(PO)·8HO。本研究提出的新的磷回收工艺系统显示出巨大的潜力,对城市污水磷资源的回收具有重要意义。