磷酸铵镁结晶法去除和回收尿液中的磷和氮

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氮和磷既是引起水体富营养化的主要因子,同时也是重要的工农业资源。从废水中回收磷和氮,尤其是磷,既可以达到保护环境的目的,又可以满足资源的回收利用,实现资源的可持续性发展,因此相关的回收技术成为当前研究的热点和重点。尿液中同时含有较高浓度的氮和磷,是城市生活污水中氮磷的主要来源,分别占到其负荷的80%和50%,因此对尿液进行分离并单独处理或回收其中的氮和磷,可以减少城市污水处理厂的投资、规模和运行费用,并可以获得氮磷资源,具有较好的经济效益和环境效益。通过对当前尿液处理现状的分析,根据这些方法的特点和尿液的特点,选择磷酸铵镁(Magnesium Ammonium Phosphate,MAP)结晶法去除和回收尿液中的磷和氮,并利用实际尿液和人工配水分别对尿液中氨氮和磷浓度变化特性、MAP去除和回收尿液中氮磷影响因素、主要的回收对象、晶种投加的作用和效果、新型气提式内循环流化床反应器(AirLiftInternal Recirculation Fluidized Bed Reactor,ALIRFBR)运行特性和应用进行了小试实验研究和比较。  结果表明,高pH值不能加快尿液中氨氮和磷浓度稳定需要的时间,初始pH越高,需要的时间越长;增加分解尿液体积比和提高温度,都可以加快尿液中氨氮和磷浓度的变化,比例越大,温度越高,尿液中氨氮和磷浓度稳定所需时间越短;根据实验结果,提出了加快尿液中氨氮和磷浓度变化稳定的方法,为MAP工艺用于尿液中氮和磷的去除和回收提供了一种经济有效的预处理方法。  MAP结晶法用于去除和回收新鲜尿液和分解10d的尿液中的氮时,其去除和回收率仅达到8.8%和20%左右;在Mg2+:NH4+-N:PO43--P摩尔比为(1.2~1.3):1:1,操作pH为8.5,沉淀时间为3.0h,搅拌转速为120r/min,搅拌反应时间为15min时的优化操作条件下,MAP工艺可以分别去除和回收超过95%和85%的尿液中的氨氮和磷;利用MAP结晶法单独去除和回收尿液中的磷时,Mg2+:PO43--P摩尔比是重要的运行参数。当其摩尔比大于1.3:1时,磷的回收率超过95%,剩余PO43--P浓度小于10mg/L。其优化的运行条件为:反应时间为15~20min,沉淀时间为2.0h,搅拌速度为120r/min,Mg2+:PO43--P摩尔比为(1.3:1~1.5):1,pH不需要控制。  尽管投加镁盐和磷酸盐可以获得比较完全的氮磷去除和回收效果,但存在难以操作、运行费用高、操作条件差等缺点,投入实际应用难度大,而从尿液中单独去除和回收磷则具有操作简单、经济效益高(产生效益>2.30元/m3)等优点,而且产物更加纯净,因此提出了MAP结晶更适于去除和回收尿液中磷的观点。  得到了晶种投加条件下MAP结晶法去除和回收废水中磷的运行条件:Mg2+:PO43--P摩尔比为(1.3~1.5):1,反应时间9~15min,晶种投加量0.4~1.0g/L,沉淀时间1.5~2.5h,pH为9.0左右。根据此结果设计的新型ALIRFBR反应器可以有效去除和回收低浓度含磷废水(PO43--P=21.7mg/L)中的磷,回收率可以达到78%,较不循环晶种操作提高了19%。对其它浓度的含磷废水也较其它传统MAP反应器有更好的磷回收效果。ALIRFBR的最佳运行条件为:Mg2+:PO43--P摩尔比为(1.3~1.5):1,THRT>1.14h,晶种量0.4~1.0g/L。利用ALIRFBR去除和回收尿液中的磷,在同样的出水剩余磷浓度条件下,可以减少Mg2+投加量的35%左右。  投加晶种可以大大缩短MAP反应时间。当晶种投加量为0.442g/L时,低饱和度废水和中等饱和度废水中的MAP反应平衡时间可分别由90min和35min缩短为15~20min和9min。在不投加晶种的条件下,两种废水中发生MAP反应时反应物的浓度随反应时间的变化呈二阶幂函数关系,而投加晶种后则呈指数关系。  MAP结晶法去除和回收尿液中的磷和氮具有操作简单、效果高等优点,因此研究成果的应用可以推动尿液分离技术的推广应用,为环境保护和氮磷资源的回收利用提供了一种理想的技术,而且研究成果也可以用于其它较高浓度氮磷废水的处理。
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