基于蓝铁石结晶的城市污水/污泥磷回收新技术及其过程机理

Urban sewage contains a considerable amount of phosphorus. The discharge of the sewage not only results in a massive loss of phosphorus as a resource, but also causes serious environmental problems. This project focuses on the recovery of phosphorus from sewage treatment processes, and for the first time presents a novel technology of phosphorus recovery from urban sewage/sludge via vivianite crystallization (PRVC) induced by iron(III) reduction. The entire project contains four subsections: (1) study the pathways and kinetics of iron(III) reduciton in the excess sludge digestion system, the mechanisms of phosphate release and the relationship between the two reactions to explore the theory of phosphorus recovery from the excess sludge by PRVC; (2) investigate the key controlling factors in the vivianite crystallization, and by combining with the results of the thermodynamic and kinetic calculations, discuss the mechanisms of vivianite crystallization; (3) track the microbiological population dynamics and its relationship to the anaerobic sludge digestion for analyzing the interactions between the functional microbes in the PRVC-involved sludge digestion system and the optimization strategies; and (4) evaluate the behaviour of the PRVC-returned iron in the main sewage treatment system and consequently the effect of PRVC on the phosphorus removal efficiency, in order to understand the interations between the PRVC and the rest treatment process. The results expected from this project could contribute to the knowledge of the real application of PRVC in the sewage treatment works and of the process optimization.

城市污水中含有大量的磷，其排放不仅造成磷资源的大量流失，也引起严重的环境问题。本项目以污水处理过程中的磷回收问题为研究对象，首次提出基于三价铁还原诱导蓝铁石结晶的污水/污泥磷回收新技术（PRVC）。项目研究中，通过考察剩余污泥厌氧消化体系中Fe(III)的还原途径与反应动力学、磷的释放机理及Fe(III)还原与P去除的关系，探索PRVC污泥磷回收过程的作用机制；通过考察蓝铁石结晶的关键控制因子，结合热力学与动力学的计算模拟，探讨PRVC体系蓝铁石结晶的过程机理；通过考察PRVC过程中的微生物种群动态及与污泥厌氧消化的关系，分析PRVC污泥厌氧消化体系中功能菌群的交互作用与调控方法；通过考察PRVC回流的铁在污水主体处理系统的行为以及PRVC对主体处理系统生物除磷的影响，分析PRVC过程与污水主体处理工艺的相互作用。这些研究的成果，将为PRVC在污水处理工程中的应用及过程调控提供理论依据。

城市污水中含有大量的磷，其排放不仅造成磷资源的大量流失，也引起严重的环境问题。本项目以污水处理过程中的磷回收问题为研究对象，首次提出基于三价铁还原诱导蓝铁石结晶的污水/污泥磷回收新技术（PRVC）。项目考察剩余污泥厌氧消化体系中Fe(III)的还原途径与反应动力学、磷的释放机理及Fe(III)还原与P去除的关系，探索PRVC污泥磷回收过程的作用机制；考察蓝铁石结晶的关键控制因子，结合热力学与动力学的计算模拟，探讨了PRVC体系蓝铁石结晶的过程机理；考察PRVC过程中的微生物种群动态及与污泥厌氧消化的关系，分析了PRVC污泥厌氧消化体系中功能菌群的交互作用与调控方法；考察PRVC回流的铁在污水主体处理系统的行为以及PRVC对主体处理系统生物除磷的影响，分析了PRVC过程与污水主体处理工艺的相互作用。项目研究结果表明，污水处理厂污泥中的磷以无机磷为主，占总磷的65–75%，无机磷中非磷灰石态磷（NAIP）为主要组分。污泥中磷的存在形态与污水处理厂所使用的药剂有一定的关系：不投加药剂的污水厂污泥上清液中的磷酸盐浓度较高（25–97 mg/L）；投加铁盐和铝盐的污泥中NAIP含量相对比较高。热水解预处理主要促进了污泥中有机磷的释放，酸碱预处理对污泥释磷都有较好的效果，处理后污泥上清液总磷分别可达171–321 mg/L和143–295 mg/L。污泥中磷的释放与有机物和含氮化合物的释放无显著相关性，因此预处理对磷释放与有机物和氮释放的过程机理不同。蓝铁石沉淀结晶的适宜pH范围4–10，适用于污水处理系统的一般pH条件，CO32-和较低浓度的S2-（<0.5 mM）不会作为干扰离子对蓝铁石沉淀结晶反应产生影响。pH 7条件有利于蓝铁石的成核与生长，且有较好的除磷效果；加入晶种可以促进pH 7条件下晶体的生长，缩短到达平衡的时间。这些研究的成果，将为PRVC在污水处理工程中的应用及过程调控提供理论依据。