[发明专利]一种投加海绵铁作晶种合成蓝铁矿的污泥磷回收方法

说明书

一种投加海绵铁作晶种合成蓝铁矿的污泥磷回收方法属于水污染控制与资源再生利用领域，以海绵铁为晶种，研究了不同反应条件对蓝铁矿结晶回收废活性污泥中磷的影响。通过单因素试验，形成蓝铁矿的最佳条件是pH为6.0，以FeCl₃计Fe/P摩尔比为1.5，海绵铁投加量为5g/L，磷回收率最高可达82％。使用扫描电子显微镜，X射线衍射和能量分散光谱来分析晶体的成分。结果表明，以海绵铁为晶种生产的蓝铁矿粒径为300‑700μm，而且，以海绵铁为晶种合成的蓝铁矿具有明显的磁性，可以被铷磁铁从污泥中分离出来。本研究验证了使用海绵铁作为晶种从废活性污泥中回收结晶磷的可行性，这有利于随后对蓝铁矿的分离和利用。

技术领域

本发明涉及一种以海绵铁作为晶种回收剩余污泥中蓝铁矿的方法，属于水污染控制与资源再生利用领域，用于污水处理中除磷与磷的回收。

背景技术

磷是一种重要的营养物质，对粮食生产非常重要。2018年，全世界共开采磷矿2700Mt。由于全球人口增长、饮食的变化和生物燃料份额的增加，未来对磷的需求将进一步增加。除了传统使用粪肥的生产方式能够将磷循环利用外，现代生产生活方式对磷的利用都是线性单向的，每年约1.3Mt的磷(P)通过污水排水流失进海洋，很难再回到陆地。据研究本世纪将消耗目前磷储量的40％～60％，磷危机不再是天方夜谭。出于地缘政治、生态和经济的考虑，需要对磷进行循环利用，发展能够从富磷物质中回收磷的技术。污水作为重要的磷汇，每年超过25％的磷进入污水系统，欧洲一些国家的磷预算显示，每年城市废水中含有的磷负荷可以代替农业生产中40％～50％的磷肥，污水中的磷已成为可替代磷矿石的“第二磷矿”。

目前，污水系统中磷回收位点主要分布在污水、剩余污泥和剩余污泥燃烧灰分中。由于水相中所含磷酸盐量低，从水相中的回收效率被限制在25％。从污泥燃烧灰分中回收磷能大大提高磷回收率，但由于技术复杂，且污泥焚烧需要额外建设污泥焚烧炉等基建，增加了磷回收成本，目前大多停留在中试规模。剩余污泥含有污水中90％的磷，得益于污泥厌氧消化在世界上的广泛应用，从厌氧消化器中将磷固定及回收受到广泛的关注和研究。

一直以来，由于鸟粪石(Mg NH₄PO₄·6H₂O)磷含量高(28.9％，P₂O₅计)，可作为农业生产中的缓释肥料，从消化上清液中通过鸟粪石回收磷酸盐经常被认为是一种很有前景的磷回收方法，但该工艺的操作条件较为严苛，需要在高碱度和高镁含量下完成，增加了鸟粪石的回收成本和工艺复杂度。此外，鸟粪石的回收仅限于采用强化生物除磷技术产生的剩余污泥，但更多情况下，污水厂采用的是化学除磷(CPR)和化学除磷(CPR)与生物强化除磷(EBPR)相结合的技术，污泥中的铁和铝会进一步降低鸟粪石的回收效率，限制了鸟粪石回收工艺的广泛应用。而在自然界中蓝铁矿广泛存在于水体底部，其形成环境与污泥厌氧消化系统不谋而合。形成蓝铁矿所需的低ORP、适中的pH(6～9)、丰富的铁磷元素在厌氧消化系统中均能实现，污泥中40％～50％的磷固定在蓝铁矿中。蓝铁矿不仅其磷含量较高(28.3％，P₂O₅计)，更是生产锂电池的关键原料，附加价值高，是一种更加方便经济的磷回收产物，在国内外受到广泛关注和研究。

本发明采用海绵铁作为晶种，投加到剩余污泥中进行共发酵来回收污泥中的磷，本发明在技术上不同于现有技术，主要体现在以下三方面：

(1)晶种的选择。海绵铁又称直接还原铁，主要成分为金属铁，二氧化硅，碳等，其金属化率一般为92％以上，可作为粉末冶金的原料，也可以作为除氧剂使用。零价铁作为一种新型的水处理材料，目前主要有铁矿石、海绵铁及纳米铁几种。但是由于铁矿石的反应速率较慢，纳米铁的反应速率过于剧烈，并且成本高，难以用于实际中。而海绵铁具有更大的比表面积，致使电化学富集、氧化还原反应、物理吸附作用、絮凝沉淀效果都十分好，并且价格便宜，正是因为海绵铁拥有众多优点，逐渐成为水处理的主流材料。