工艺条件对磷回收过程中鸟粪石沉淀颗粒粒径的影响李超群

第6卷第3期环境工程学报Vol．6，No．32012年3月ChineseJournalofEnvironmentalEngineeringMar．2012工艺条件对磷回收过程中鸟粪石沉淀颗粒粒径的影响李超群林木兰林金清*(华侨大学材料科学与工程学院，厦门361021)摘要在鸟粪石沉淀法回收废水中磷的过程中，鸟粪石颗粒的大小将直接影响其沉淀的速率，进而影响鸟粪石的沉淀效果和磷的回收率。本文采用激光粒度分析仪测定鸟粪石的平均粒径，详细考察在小型连续搅拌反应-沉淀磷回收装置中不同的工艺条件下鸟粪石颗粒粒径的变化规律，并结合Stokes公式计算鸟粪石颗粒在废水出口处的沉降速率，为沉淀池的设计提供参考依据。结果表明:鸟粪石的平均粒径在12～25μm之间，沉降速率在5．46×10－5～2．37×10－4m/s之间。随着反应室水力停留时间的延长，鸟粪石颗粒的粒径逐渐增大，当停留时间超过18min时，颗粒的粒径基本不变;随着沉淀室水力停留时间的延长，鸟粪石颗粒的平均粒径缓慢增大，当停留时间超过70min后颗粒粒径的变化不大;鸟粪石颗粒的平均粒径在一定程度上受废水中磷初始浓度变化的影响，在磷初始浓度为62～128mg/L时颗粒的粒径变化不大，当磷浓度为496mg/L时粒径有较大增加，此时鸟粪石颗粒的沉降速率也大幅度增加;鸟粪石颗粒的平均粒径受pH值的影响不大;随氮磷摩尔比的增大，鸟粪石颗粒的平均粒径略有增加;随镁磷摩尔比的增大，鸟粪石颗粒的平均粒径逐渐减小，沉降速率则有明显的下降。关键词废水磷回收鸟粪石沉淀粒径沉降速率中图分类号X703文献标识码A文章编号1673-9108(2012)03-0936-05InfluencesofprocessconditionsonparticlesizeinstruviteprecipitationforphosphorusrecoveryfromwastewaterLiChaoqunLinMulanLinJinqing(CollegeofMaterialsScienceandEngineering，HuaqiaoUniversity，Xiamen361021，China)AbstractIntheprocessofstruviteprecipitationforrecoveryofphosphorusfromwastewater，theparticlesizeofstruvitewoulddirectlyaffectthesettlingrate，therebyaffectsthephosphorusrecoveryefficiency．Theav-eragesizeofstruvitewasmeasuredbylaserparticlesizeanalyzer，andvariationofstruviteparticlesizewithdif-ferentprocessconditionsinasmallscalecontinuousstirredtankreaction-precipitationdevicewasstudieddetail-ly，andthenthestruviteparticlesettlingrateattheoutletofwastewaterflowwascalculatedwithStokesformulainordertoprovidesomereferencesforthedesignofsettlementtank．Theresultsshowedthattheaverageparticlesizeofstruviteisinrangeof12～25μm，andthesettlingrateisbetween5．46×10－5and2．37×10－4m/s．Withthehydraulicretentiontime(HRT)inthereactorincreasing，thestruviteparticlesizeincreases，butitbe-comesalmostthesamesizewhentheHRTismorethan18mins．WiththeHRTinthesettlementtankincreas-ing，theaveragesizeofstruviteparticlesincreasesslowly，andwhentheHRTismorethan70mins，theparticlesizechangeslittle．Theparticlesizechangeslittlewhentheinitialconcentrationofphosphorusiswithin62～248mg/L，butitsignificantlyincreaseswhentheinitialphosphorusconcentrationisgreaterthan496mg/L．ThepHhaslittleeffectontheaverageparticlesize．Withmolarratioofnitrogenandphosphorusincreasing，theaveragesizeofparticlesincreasesslowly，however，itdecreaseswithincreaingofthemolarratioofmagnesiumandphos-phorus，andthesettlingrateissignificantlyreduced．Keywordswastewater;phosphorusrecovery;struviteprecipitation;size;settlingrate基金项目:福建省科技计划项目(2006HG028);厦门市科技计划项目(3502Z20093030)收稿日期:2010－11－05;修订日期:2011－04－15作者简介:李超群(1987～)，女，硕士研究生，主要从事污水处理技术研究工作。E-mail:[e-mail]*通讯联系人，E-mail:[e-mail]磷是细胞物质最重要的组成元素之一，也是生物圈中单向流动的元素。磷在自然界中主要以天然磷酸盐矿石的形式存在，磷矿是一种重要的化工原料，目前全球约80%的磷矿用于生产各种磷肥，其第3期李超群等:工艺条件对磷回收过程中鸟粪石沉淀颗粒粒径的影响余用于制造黄磷、磷酸及其他磷酸盐类，应用领域涉及化工、轻工和国防等工业部门。研究表明，全球磷矿资源将于本世纪中叶面临枯竭［1］，我国已将磷矿列为2010年后不能满足国民经济发展需求的20种矿产之一［2］。由于磷被人类消耗后，绝大多数被排入水体，从而造成严重的水体富营养化和赤潮现象。为了控制磷对环境的污染，特别是为了实现磷资源的可持续利用，从废水中回收磷是唯一的选择［3-5］，已引起世界各国的广泛研究［6-8］。从废水中回收磷最有前景的途径之一是生成磷酸铵镁(MgNH4PO4·6H2O)沉淀，俗称鸟粪石(struvite，MAP)，它是一种难溶于水的白色晶体，其P2O5质量分数约为58%，属于极高品位的磷矿石，自然界的储量极少，可以作为良好的缓释肥［9-11］。在采用鸟粪石沉淀法回收废水中磷的过程中，鸟粪石晶体颗粒的大小将直接影响其沉淀的速率，进而影响鸟粪石的沉淀效果和磷的回收率。因此，鸟粪石颗粒的粒径是沉淀池设计的关键参数。目前文献上只见Burns等［12］通过实验测定了在无添加颗粒晶种的条件下，所生成的鸟粪石的粒径在16～30μm之间;添加鸟粪石作为晶种，所生成的鸟粪石的粒径有16～47μm和63～110μm2个区间;添加沙粒作为晶种，所生成的鸟粪石的粒径有16～40μm和47～78μm两个区间。但鸟粪石颗粒粒径随工艺条件变化规律以及粒径对沉降速率影响的研究国内外文献上鲜有报道。本实验采用激光粒度分析仪测定小型连续搅拌反应-沉淀磷回收装置所生成的鸟粪石的平均粒径，详细考察各种工艺条件下鸟粪石颗粒粒径的变化规律，并结合Stokes公式计算废水出口处鸟粪石颗粒的沉降速率，为沉淀池的设计提供参考依据。1实验材料和方法1．1仪器及试剂实验用主要仪器有:BS110S型电子分析天平，828型精密pH计，JJ-1型电动搅拌器，BT00-1J型蠕动泵，756型紫外可见分光光度计，Winner2000激光粒度分析仪。实验用主要试剂:K2HPO4·3H2O，NH4Cl，MgCl2·6H2O，均为分析纯。1．2实验装置本实验室自制小型连续搅拌反应-沉淀磷回收装置［13］:反应室和沉淀室分开，反应室半径为150mm，高度为150mm，有效体积为2．3L;沉淀室半径为200mm，高度为450mm，体积为14．13L。反应室上方设有搅拌器可调节转速使得反应室中的液体处于搅动状态，沉淀室侧面装有不同高度的出水口以便调节不同的沉淀时间，并利用pH计监控以保证出水达到恒定的pH值。回收装置如图1所示。图1磷回收流程示意图Fig．1Diagramforphosphorusrecoveryfromwastewater1．3实验方法配制一定氮磷比的模拟废水盛放在储水桶1中，依据摩尔比配制相应浓度的镁溶液盛放在储水桶2中;根据实验对水力停留时间的要求，调节2台蠕动泵的转速，启动蠕动泵将模拟废水打到回收装置的反应室中，开动电动搅拌器，调节合适的转速进行反应，并通过蠕动泵调节稀碱液的流量控制出水pH基本恒定于某指定值。鸟粪石颗粒粒径的测定方法:采用激光粒度分析仪对所生成的鸟粪石沉淀的颗粒粒径进行测定，先进行背景测定，然后用鸟粪石沉淀上清液作为溶剂，超声2min后测定颗粒的粒径。2鸟粪石颗粒沉降速率的理论计算沉淀与上浮是利用水中悬浮颗粒与水的密度差进行分离的基本方法。在力场的作用下，颗粒与流体间产生相对运动，使得颗粒与流体分离。由于从沉淀室左下端进水且水流速度较小，本实验中最大水流量时的雷诺数为27．18，可认为沉降室水流处于层流状态，颗粒的沉速可采用Stokes公式［14，15］计算:u=g(ρs－ρ)18μd2式中:u———颗粒沉速;739环境工程学报第6卷d———颗粒的直径;ρs，ρ———分别表示颗粒及水的密度;g———重力加速度;μ———水的粘度。当沉淀池出口处废水上升的流速小于颗粒的沉降速率时，鸟粪石颗粒将会逐渐下沉;当废水上升的流速大于颗粒的沉降速率时，鸟粪石颗粒上浮，将被废水带出沉淀池;当废水上升的流速等于颗粒的沉降速率时，鸟粪石颗粒将悬浮于废水中。因此，为了使鸟粪石颗粒沉淀下来，沉淀室出口处废水的流速不能大于此处鸟粪石的沉淀速率。由于重力加速度、鸟粪石颗粒和水的密度以及水的粘度均为常数，因此，从上述沉降速率的计算公式可以看出，鸟粪石颗粒在沉淀池中的沉降速率由其粒径决定且与粒径的平方成正比，即鸟粪石颗粒的大小将直接影响鸟粪石的沉降速率，进而影响鸟粪石的沉淀效果和磷的回收率。3实验结果和讨论3．1反应室水力停留时间的影响室温下，磷初始浓度为124mg/L，出水pH值为9．20，Mg/N/P=1．2∶5∶1，沉淀室水力停留时间为70min，鸟粪石的体积平均粒径和沉降速率随反应室水力停留时间的变化规律如图2所示。图2反应室不同水力停留时间时的粒径大小和沉速值Fig．2ParticlesizeandsettlingvelocityatdifferentHRTsofreactionchamber由图2可知，随着反应室水力停留时间的延长，鸟粪石颗粒的粒径逐渐增大，随之颗粒的沉降速率也逐渐增大，但当反应室水力停留时间大于18min时，颗粒的粒径基本不变。3．2沉淀室水力停留时间的影响室温下，磷初始浓度为124mg/L，出水pH值为9．20，Mg/N/P=1．2∶5∶1，反应室水力停留时间为15min，考察沉淀室水力停留时间对鸟粪石粒径的影响，实验结果如图3所示。图3沉淀室不同水力停留时间粒径的大小和沉速值Fig．3ParticlesizeandsettlingvelocityindifferentH