A2N-IC系统中不同形态磷的回收机制及其影响因素研究

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磷是一种宝贵的难再生资源,是生物维持细胞和生命活动的必需元素。双污泥-诱导磷结晶(A2N-IC)系统耦合生物除磷与化学磷回收技术,将污水处理与磷资源回收相结合,产生经济与环境的双重效益,符合可持续发展的需要。然而,随着工业发展和人工合成生物技术的迅速崛起,污水中非活性磷的存在已不容忽视。非活性磷的反应性不佳,并不遵循活性磷(RP,即正磷酸盐)的迁移转化规律,其与污水中重金属、复杂有机物等均可能是导致A2N-IC中试装置侧流磷回收效率降低的原因。因此,探究A2N-IC系统中不同形态磷的回收机制以及其影响因素有助于提高A2N-IC系统的磷回收效率,为未来更好地开展城镇污水磷回收工作提供思路。本研究依托于课题组前期成果,选取多种典型磷形态开展回收机制研究,分析了结晶操作条件和溶解性有机物对磷回收的影响,得出以下主要结论:(1)在A2N-IC系统的生物单元,生物处理对不同非活性磷的转化和吸附能力存在显著差异。含磷酸酐键的典型酸水解磷(TPP,三聚磷酸盐)和含磷酸酯键的典型有机磷(AMP,腺苷-5-单磷酸水合物)比含碳磷键的典型有机磷(EDTMP,乙二胺四亚甲基膦酸;PBTC,2-膦酸丁烷-1,2,4-三羧酸)更易在活性污泥的作用下水解生成正磷酸根。在吸附能力方面,活性污泥对TPP的吸附集中在反应开始的1~2分钟内;对AMP的吸附能力微弱,但转化能力很强;对PBTC的亲和力差,基本不吸附;对EDTMP的吸附能力很强。此外,单纯的曝气过程不能促进AMP的转化,但可以促进EDTMP和PBTC的转化。(2)在A2N-IC系统的结晶单元,不同形态磷的回收机制及效果存在显著差异。RP会以无定形磷酸钙(ACP)为前驱体生成羟基磷酸钙(HAP)晶体;TPP可以通过螯合Ca2+进入固相,其回收产物是非晶态多聚磷酸钙(CPP);而三种典型有机磷(AMP、EDTMP和PBTC)在结晶单元既不易被转化,也不易进入固相。当多形态磷共存时,TPP会优先与Ca2+络合,给RP的回收带来负面影响。(3)操作条件会影响RP和TPP的回收。提高Ca/P摩尔比和初始p H值均能显著促进RP和TPP的去除,但升高初始p H值会导致HAP结晶速率的下降,从而延长诱导时间。HAP段和ACP段的磷平衡分析表明,确保反应时长达到诱导时间有利于提高磷回收效率,是十分必要的。综合考虑诱导时间、磷去除率和磷回收效果,Ca/P摩尔比取2.0、p H取8.5是同时适合回收RP和TPP的一组操作参数。(4)三种典型溶解性有机物(富里酸、海藻酸钠和牛血清白蛋白)均会影响RP的回收。结晶动力学分析表明,三种溶解性有机物均会降低HAP的结晶速率,其中,海藻酸钠对HAP成核生长的抑制最强烈,富里酸次之,牛血清白蛋白最弱;磷平衡计算表明,富里酸会稳定抑制RP的去除与回收,而低浓度的海藻酸钠和牛血清白蛋白对磷的去除略有促进;表征结果显示,三种有机物均会改造RP回收产物的微观形貌,降低产品结晶度和产物纯度,引入有机物杂质,但不会改变RP回收产物的主要物相,并且均与HAP发生化学吸附;有机物浓度削减率表明,富里酸更易在ACP表面发生化学吸附,海藻酸钠在ACP表面和HAP表面吸附的能力相当,而溶液中牛血清白蛋白浓度的增加不利于其在晶体表面发生化学吸附。(5)三种典型溶解性有机物对回收TPP的影响存在显著差异。富里酸和海藻酸钠的存在不会影响TPP的回收率,而牛血清白蛋白对TPP的回收略有促进。表征分析显示,富里酸的存在仅仅改变TPP回收产物(CPP)的色泽,使其呈黄褐色;海藻酸钠的存在则能使CPP由球簇状的白色松散结构转变为致密平滑、富有光泽的规则几何体;而牛血清白蛋白对CPP的形貌没有明显影响。此外,三种有机物影响下的TPP回收产物均为非晶态,产物中均出现有机物杂质,但富里酸、牛血清白蛋白仅和CPP发生物理吸附,而海藻酸钠和CPP发生化学吸附。本研究结果揭示了几类典型的不同形态磷在A2N-IC系统中的可处理性和敏感性,阐述了不同形态磷的回收机制及多种现实因素对磷回收效率和品质的影响,为进一步改进和完善A2N-IC系统提供了思路。
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