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作为一种不可替代的不可再生资源,磷资源的枯竭会危及粮食安全和地区稳定。从废水中进行磷的回收不仅有利于缓解磷危机,也有利于减轻水体污染和磷去除负荷。摄入人体的磷,除少量被吸收外,绝大多数随尿液和粪便排入到污水中。尿液体积只占生活污水的1%,但磷含量比例达到50%。相比较于其它废水,尿液中含有更高浓度的磷。从尿液中进行磷的回收具有技术和经济效益上的可行性。结晶法形成的鸟粪石是一种优质肥料,可施用于农田。
本文研究了储存过程中的两个因素(稀释度和开闭口)对尿液中磷回收率的影响效果,评价了在机械式搅拌反应器和曝气式反应器中鸟粪石结晶法对尿液中磷回收的效果,并重点分析了晶核对鸟粪石晶体形成的作用,评价了海水和盐卤作为镁源从尿液中进行磷回收的效果。最后,在两种不同pH值土壤中,通过地上干物质生物量、叶片叶绿素含量等指标分析了从尿液中得到的鸟粪石对作物生长的肥效性。本文主要研究结果如下:
(1)尿素水解导致尿液中的pH值在几天内由6.8上升到9.0以上。尿液中的磷浓度在5天内与尿液中的钙镁沉淀反应基本完全。经过XRD分析鉴定,尿液储存过程中在容器底部形成的沉淀物质主要由三种物质构成:鸟粪石、羟基磷酸钙和石灰石。开口和稀释均会不同程度降低水解尿液中磷的回收率。在闭口条件下,100%、50%和25%尿液中的磷回收率在Mg/P摩尔比为1.3时分别为93.7%、81.1%和6.8%,在25%尿液中磷回收率最低,但形成的鸟粪石晶体粒径反而最大。在开口条件下,100%、50%和25%尿液中的磷回收率在Mg/P为1.3时分别为79.4%、23.7%和12.3%。而在Mg/P摩尔比为1.3增加到2时,磷回收率得到不同程度的增加。收集尿液过程中,应保持密封和尽量减少冲洗水的比例,不仅可以提高磷回收率,还可以减少氮损失。
(2)在机械式搅拌反应器中,5个水力停留时间(HRT)后的磷回收率高于88.7%。在HRT为0.5h、1h和2h时,尿液中磷的回收率分别为88.9%、92.8%和95.4%。HRT的增加对提高磷回收率作用有限,但在3个不同HRT反应器中形成的晶体的粒径越来越小(平均粒径分别为124.4μm、89.6μm和71.2μm)。搅拌速率为80r/min、160r/min和320r/min时的磷回收率分别为88.7%、93.7%和93.4%,而形成的晶体粒径均值分别为37.0μm、74.1μm和78.9μm。这表明增加搅拌速率有利于鸟粪石结晶反应并易形成较大粒径的晶体。但是当搅拌速率达到一定程度后,这种作用降低。较高的搅拌速率形成较大的湍流,使得细小的鸟粪石晶体来不及沉降而极易被流出尿液带走,造成磷损失,使得最终的鸟粪石回收率较低(68.5%)。
(3)在曝气式反应器中,磷的回收率与搅拌式反应器相当,能达到90%以上。在HRT为1h和2h时,5个HRT后的磷回收率分别为96.3%和92.7%,而鸟粪石回收率分别为89.5%和93.0%,高于搅拌式反应器(68.5%-78.7%)。与无晶核的处理相比,加入晶核对尿液中磷的回收并无影响。但晶核的加入可以促进晶粒的积簇,形成较大粒径的晶体,且晶核以多次方式加入尿液中形成的晶体粒径要高于一次性加入沸石的。分批加入晶核沸石后,形成的晶体粒径从33.7μm增大到57.0μm。当海水作为镁源时,尿液的磷回收率为99.5%,而极高的磷回收率与海水中含有一定量的钙相关,这也导致形成的鸟粪石晶体含有一定量的钙离子。当盐卤作为一种镁源时,在低磷尿液和高磷尿液中的磷回收率分别为91.2%和98.5%。
(4)通过6周的盆栽实验,在密云褐土(pH值为7.3)和江苏水稻土(pH值为5.3)两种土壤中,施加过磷酸钙和鸟粪石这两个处理的干无质量并无显著差异,这说明鸟粪石与过磷酸钙对作物生长具有大体相当的作用。同时,酸性灌溉水处理的作物的干物质量均高于中性灌溉水的,主要是由于酸性灌溉水可以促进鸟粪石中养分物质的释放。与对照相比,施加鸟粪石和过磷酸钙处理后油菜叶片的叶绿素含量均有增加趋势,而且在水稻土中各处理的叶绿素含量均高于褐土。而在施加磷肥的处理中,收割油菜后土壤中的有效磷含量均显著增加,与原土壤均出现显著差异。