工程环保
收稿日期:2008-07-25
作者简介：陈 瑶(1982-)，女，助理工程师。
文章编号:1673-8993(2008)05-0052-03
陈 瑶，颜学宏，钮心洁，牛一乐
(中冶长天国际工程有限责任公司环保分院，湖南长沙410007)
摘 要：介绍了一种化学沉淀法的专利技术，从污水中同时回收氮和磷，得到的沉淀产物为鸟粪石，可作为缓释肥，具有可观的开发前景。
关键词：污水处理；氮磷回收；鸟粪石；缓释肥中图分类号:X 70311 文献标识码:A
Struvite deposit method and recovery of N/P simultaneously in w aster w ater treatment plant
Chen Yao ,Yan Xuehong ,Niu Xinjie ,Niu Yile
Abstract :A patent technology of chemical precipitation method was intro 2duced ,nitrogen and phosphorus can be recovered from the waste waster ,and the de 2posit product is struvite which can be used as slow released fertilizer and has consid 2erable development prospect 1
K ey w ords :sewerage treatment ;recovery of nitrogen and phosphorus ;stru 2
vite ;slow released fertilizer
1 前 言
氮和磷是一种重要资源，它们既是所有生物细胞的重要组成元素之一，又是生产农肥和饲料等人们生活所需必需品的原料。因此，人们对氮磷资源的需求日益增加。然而，科学研究发现，磷和氮等元素的生物化学循环完全不同，在生物圈中，它是单向流动的，而且难以再生。在现有技术、经济水平条件下，已探明的世界磷储量仅够人类再用100a [1,2]。我国磷矿可采储量仅能满足到2015年，已被国土资
源部列为2010年后不能满足国民经济发展需求的20个矿种之一[3]。因此，相对于我们面临的水危机和石油危机来说，磷危机更加急迫。潜在的磷危机的后果更加可怕。它不仅影响我国经济的可持续发展。而且将对人类的生存和我国社会的安全、健康发展构成严重威胁。
从污水中回收磷一方面是可持续发展的需要，另一方面是由于污水除磷脱氮已在或正在许多国家实施。
各国因控制水体富营养化的环境目标要求，需将磷从污水中去除，以免使其排入“敏感水域”。对污水进行生物法除磷脱氮就使污水厂中的某些工艺单元如厌氧区、污泥浓缩池、污泥消化池、脱水机房等的液流中富含氨氮和磷酸根。在这些污水处理单元中,
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5工程建设
E ngineering construction
第40卷 第5期2008年10月
厌氧释磷区富含的磷会增加后继工序的总磷负荷；而污泥的各处理单元排出富含氮磷的液流一般会回流到污水处理流程的起端，从而使污水处理系统的氮磷负荷增加55%～75%。所以，从污水处理过程中回收氮磷既有利于保护环境，又有利于改进污水处理厂的运行效果，还回收了资源。
2 鸟粪石法回收氮磷的原理
早在上世纪中，某些污水厂，特别是沿海城市的污水厂就发现污泥消化池管道的堵塞现象，致使整个污泥处理系统无法正常运行。经研究发现其原因是管道中形成了磷酸镁铵化合物沉积，即MgN H4PO4・6H2O，俗称MAP或鸟粪石[4]，其反应为:
Mg2++N H+4+HPO2-4+OH-+6H2O
→MgN H4PO4・6H2O+H2O(1)
在污水厂富磷液流中，氨氮的浓度也较高甚至远高于磷的浓度，所以可以采用像此类污水中投加镁盐和磷酸盐，使生成难溶复盐鸟粪石(磷酸铵镁)沉淀的方法将氨氮和磷同时回收出来。发生的化学反应如下:
主反应:
N H3+H3O+ΖN H+4+H2O(2)
Mg2++PO3-4+N H+4+6H2OΖ
MgN H4PO4・6H2O(3) Mg2++HPO2-4+N H+4+6H2OΖ
MgN H4PO4・6H2O↓+H+(4) Mg2++H2PO-4+N H+4+6H2OΖ
MgN H4PO4・6H2O↓+2H+(5)副反应:
Mg2++PO3-4+2H+ΖMg(H2PO4)2(6)
Mg2++PO3-4+H+→MgHPO4↓(7)
Mg2++PO3-4→Mg3(PO4)2↓(8)
Mg2++H2OΖMg(OH)2↓+2H+(9) K sp=[Mg2+][N H+4][PO3+4]=2151×10-13 p K sp=-lg(K sp)=1216
鸟粪石的p K sp为1216(25℃)，理论上生成鸟粪石的反应比较完全，且反应速度快。但在实际操作中，反应最终按哪种形式进行,p H 值影响很大。从溶度积常数看，若溶液中的p H值较低时,PO3-4浓度相对较高，此时主要得到的是Mg(H2PO4)2；若溶液中的p H值适中，则会产生MgN H4PO4・6H2O；但若溶液中的p H值过高时，则会产生更难溶于水的Mg3(PO4)2和Mg(OH)2沉淀。此外，在强碱性条件下，溶液中的N H+4会转变为N H3，而无法回收氨氮。因此，该方法操作中p H的控制尤为重要。
3 鸟粪石法回收氮磷的工艺
(1)在富含氨氮和磷酸根的污水中先投加Na2HPO4・12H2O或NH4Cl，使水中NH+4∶PO3-4的摩尔浓度比率为1～1125，在100r/min的搅拌速率下使药剂充分溶解并混合均匀。
(2)然后加入MgSO4・7H2O，使水中Mg2+∶PO3-4的摩尔浓度比为112～116，同样也在100r/min的搅拌速率下使药剂充分溶解并混合均匀。
(3)投加NaOH溶液，调节p H值为815～10。
(4)在100r/min下搅拌10min，静止沉淀20min后回收含氮磷的白沉淀物。
此方法已申请为国家发明专利(专利号: 200610031702)。
4 鸟粪石特性及发展前景
411 鸟粪石的特性
鸟粪石一般以一水化合物和六水化合物的形式存在，其分子式分别为:MgNH4PO4・6H2O 和MgN H4PO4・H2O。纯净体呈白晶体粉末状，还会以大单晶体、微小晶体、凝乳、凝胶块的形式出现，比重是117，密度大，沉降性能好。鸟粪石粉末吸水性差，溶解速度慢，化学性质稳定，不易变质，易于长期保存，且长期贮存无结块倾向。基于以上性质，可以充分开发鸟粪石的肥效。
在盆栽试验中，鸟粪石与其他含N,P的
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2008年10月陈 瑶等 鸟粪石沉淀法从污水厂同时回收氮磷
肥料外观十分接近，但是盆栽植物在含鸟粪石的环境中生长速度明显快于其他环境。在一些特定的条件下，鸟粪石比标准化肥的肥效更好。其优质性能包括它的低溶解度以及高氮磷含量。其养分比其它可溶肥的释放速率慢，肥料利用率高，可以作缓释肥(SRFs)；施肥次数少；不会出现化肥灼烧的情况。与通
常化肥工业使用的磷酸盐矿石相比，鸟粪石的重金属成分含量很低。这也是支持使用鸟粪石作为化肥的原因之一[5]。
412 鸟粪石的开发前景
鸟粪石用途广泛可作阻火剂、水泥粘合剂及磷酸盐工业的粗原料等；在农业上更因其溶解和释放速度低、作物利用率高、对环境污染程度小而被称为“21世纪的肥料”。
该工艺回收的产品是一种缓释复合肥，其特点是施入土壤中能缓慢释放养分，对作物具有缓效性或长效性，可提高肥料中养分的吸收率，减少养分流失，防止多余养分对环境的污染，因此被誉为肥料工业的一次革命，主要用于草坪、花卉、园艺和苗圃以及农作物的施肥。目前国外市场上以商业产品销售的缓释/控释复合肥己达数十种。缓释复合肥的国际市场价格昂贵，一般为普通肥料的3～9倍，目前国内许多肥料厂家，正在着手开发此类肥料，而本工艺生产的缓释复合肥是以废水为原料生产的，具有价格竞争优势，因此，其市场开发前景相当乐观。
5 鸟粪石法回收氮磷的效益分析
511 经济效益
鸟粪石沉淀法是普通的化学沉淀反应，反应时间短，无须特殊条件控制，故工艺流程简单、运行操作方
便、设备投资低廉、动力消耗少。因此，其经济效益主要取决于药剂费用。
根据笔者的试验研究，以处理1t NH+4浓度为10611mg/L,P-PO3-4浓度为3712mg/L 的厌氧池上清液(以水计)为例，需要119kg 的Na2HPO4・12H2O(98%),212kg的MgSO4・7H2O(99%)和118kg NaOH，可产生鸟粪石约为01008t。Na2HPO4・12H2O(98%)、MgSO4・7H2O(99%)和NaOH的单价分别约为2300元/t、500元/t和2200元/t，则处理1t厌氧池上清液的药剂费用为9143元。鸟粪石的国际市场平均价约为300美元/t，汇率按1美元兑换710元人民币计算，则收益约为1618元[6]，扣除药剂成本9143元，处理每吨水可获得收益7137元，这样即可有效减少污水处理厂的运营成本。
512 综合效益
从污水中同时回收氮磷不仅可以给污水处理厂带来一定的经济效益，对国家循环经济的发展也有着巨大的贡献。本技术的应用还能减少具有脱氮除磷功能污水处理厂的污泥量，从而改进对污泥的管理；同时还能明显改善污泥特性(如焚烧)，或改进污泥在水泥制造中的使用限制。另外，通过降低回流至处理工艺首端的回流液中的氮磷负荷，氮磷的回收还能改进生物脱氮除磷的效率及可靠性。综上都是回收氮磷所能获得的巨大的综合效益，说明此技术具有广阔的发展前景。
参考文献:
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45工程建设第40卷 第5期
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