文章信息
- 杨德坤, 颜成, 邬振江, 梁剑茹, 王电站, 周立祥
- YANG Dekun, YAN Cheng, WU Zhenjiang, LIANG Jianru, WANG Dianzhan, ZHOU Lixiang
- 鸟粪石结晶法去除餐厨沼液中氨氮的研究
- Removal of ammonia nitrogen in anaerobically digested food-waste slurry by struvite crystallization approach
- 南京农业大学学报, 2019, 42(2): 300-307
- Journal of Nanjing Agricultural University, 2019, 42(2): 300-307.
- http://dx.doi.org/10.7685/jnau.201807043
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文章历史
- 收稿日期: 2018-07-20
我国餐厨垃圾数量大, 并呈快速上升趋势[1]。目前主要工艺是将餐厨垃圾收集送往餐厨垃圾处理厂, 经分拣、破碎、高温蒸煮制浆, 三相分离机将其分离为粗油脂、浓浆水和餐厨渣[2]。粗油脂深加工成生物柴油, 餐厨渣一般高温发酵后作为有机肥, 或焚烧或填埋处理, 浓浆水则采用高温或中温厌氧发酵产沼[3-4]。然而, 产沼后沼液的处理却成为餐厨垃圾处理厂最为头痛的难题。因为沼液具有高氨氮、高化学需氧量(COD)、高悬浮固体(SS)以及低的C/N, 使得后续常规生化处理极难达标, 尤其是氨氮。因此, 在生化处理前预先去除大部分的氨氮十分重要。
鸟粪石(磷酸铵镁)结晶法是指当废水中的Mg2+、PO43-和NH4+的浓度积达到鸟粪石的溶度积(Ksp)时, NH4+及PO43-以鸟粪石晶体的形式沉淀而得以去除的方法[5]。此方法不但可高效去除废水中高浓度氨氮及水溶性磷, 而且生成的鸟粪石可作为缓释肥用于农业生产和花卉种植[5-6], 可实现良好的经济效益和环境效益, 实现氮磷废水资源化[7-9]。
目前, 该方法在垃圾渗滤液、养殖场废水和污泥脱水液等废水中已有研究[10]。张记市等[8]采用鸟粪石结晶沉淀法回收和去除垃圾渗滤液中氨氮具有显著效果; Song等[11]用鸟粪石结晶回收猪场废水中营养物质结果表明:鸟粪石结晶的最佳pH值为9.5~10.5, 磷的去除效率随镁、磷摩尔比的增加而增加; 吴健等[12]研究鸟粪石结晶回收污泥脱水液中的磷, 在工况为pH9.0, 氮、磷、镁摩尔比为4 : 1 : 1.3, 反应周期为4 d时, 磷去除率可达85%, 生成的鸟粪石平均粒径可达毫米级(0.74 mm), 纯度可达98.23%。然而, 鸟粪石结晶法应用在氨氮浓度极高(3 000~5 000 mg · L-1)的餐厨垃圾沼液的研究鲜有报道。因此, 本文以餐厨垃圾厌氧发酵后的沼液为研究对象, 探究温度、反应时间、起始pH值以及镁、磷、氮的摩尔比等因素对鸟粪石结晶法去除餐厨沼液中氨氮的影响, 以期为鸟粪石结晶法处理餐厨沼液提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 供试餐厨垃圾沼液餐厨垃圾沼液取自河北省石家庄市餐厨垃圾处置中心高温厌氧消化发酵罐产出的消化液。该处置中心处理规模300 t · d-1, 餐厨垃圾收集至中心后, 处理工艺为分拣→制浆→高温蒸煮→三相分离提油→水渣混合后进入高温厌氧产沼→二相分离(卧螺式离心机)→废水进入生化处理系统→排入下水道管网。二相分离渣采用槽式发酵制备有机肥。餐厨垃圾厌氧发酵后的沼液基本性质为:pH8.10, 总固体(TS)含量32 031 mg · L-1, SS含量12 250 mg · L-1, 挥发性固体(VS)含量16 115 mg · L-1, 氨氮含量3 382 mg · L-1, COD含量20 153 mg · L-1, 总磷(TP)含量476.7 mg · L-1, 水溶性磷40.00 mg · L-1。本试验主要试剂均为分析纯。
1.2 鸟粪石结晶法去除餐厨沼液中氨氮的影响因素 1.2.1 温度取250 mL三角瓶若干个, 每个添加原始餐厨沼液120 mL, 以餐厨沼液中氨氮含量为基础, 按照镁、磷、氮摩尔比为1 : 1 : 1, 先添加Na2HPO4 · 12H2O, 待其完全溶解后, 再添加MgCl2 · 6H2O, 分别在180 r · min-1, 20、28、35和40 ℃的摇床中反应90 min后取样测量, 各处理均设置3个重复。
1.2.2 反应时间按照1.2.1节的反应条件和步骤进行操作, 在28 ℃的摇床中反应3 h, 分别在15、30、45、60、75、90、120、150和180 min取样测量。
1.2.3 初始pH值调节餐厨沼液pH值分别为7.5、8.0、8.5、9.0、9.5、10.0、10.5和11.0, 按照1.2.1节的反应条件和步骤进行操作, 在28 ℃的摇床中反应90 min后取样测量, 通过对照试验扣除高pH条件下氨氮挥发浓度, 各处理均设置3个重复。
1.2.4 恒定pH值与起始pH值分别设置:1)恒定pH值处理:调节餐厨沼液起始pH值为9.0, 在整个反应过程中通过滴加NaOH溶液维持pH值为9.0;2)起始pH值处理:仅调节餐厨沼液起始pH值为9.0, 在整个反应过程中不再调节pH。按照1.2.1节的反应条件和步骤进行操作, 在28 ℃摇床中反应90 min后取样测量, 各处理均设置3个重复。考虑到餐厨垃圾沼液组成复杂, SS含量较高, 为进一步验证上述2个处理效果, 同时采用模拟氨氮废水(由氯化铵溶于自来水配制, 氨氮浓度与调节pH值后的餐厨沼液中氨氮基本一致, 为3 382 mg · L-1)重复上述2个处理作为对照。并测定餐厨沼液对酸碱的缓冲性能:取50 mL餐厨沼液于三角瓶中, 分别滴加一定体积2 mol · L-1的盐酸或氢氧化钠溶液并测定相应的pH值。
1.2.5 镁、磷摩尔比及磷、氮摩尔比调节餐厨沼液pH值为9.0, 取250 mL三角瓶若干个, 每个添加适量沼液, 以餐厨沼液中氨氮的物质的量为基础, 按照磷、氮摩尔比为1.0, 先添加Na2HPO4 · 12H2O, 待其完全溶解后, 再分别添加镁、磷摩尔比分别为0.6、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2和1.4的MgCl2 · 6H2O, 在180 r · min-1、28 ℃的摇床中反应90 min后取样测量, 各处理均设置3个重复; 固定镁、磷摩尔比为1.1, 按照磷、氮摩尔比分别为1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.6和1.8, 先添加Na2HPO4 · 12H2O, 待其完全溶解后, 再添加MgCl2 · 6H2O, 分别在180 r · min-1、28 ℃的摇床中反应90 min后取样测量, 各处理均设置3个重复。
1.2.6 最佳反应条件下回收沉淀的XRD、SEM及EDS分析取250 mL三角瓶3个, 各添加原始餐厨沼液120 mL, 以餐厨沼液中氨氮含量为基础, 按照镁、磷、氮摩尔比为1.43 : 1.3 : 1, 先添加Na2HPO4 · 12H2O, 待其完全溶解后, 再添加MgCl2 · 6H2O, 在180 r · min-1、28 ℃的摇床中反应90 min后取样测量pH以及氨氮、TN、COD和水溶性磷含量; 将回收的沉淀用纯水洗净, 45 ℃烘干后射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)以及X射线能谱(EDS)分析。
1.3 测定方法与计算氨氮、TN、COD和磷含量分别采用纳氏试剂分光光度法、碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法、重铬酸钾法和钼酸铵分光光度法测定; 采用雷磁pHS-3C精密pH计测定pH值; 采用Thermo公司X’TRA型X射线衍射仪测定XRD; 采用日本Hitachi公司的S-3400N型扫描电镜及其附带的EX-250型能谱仪分析测定最佳反应条件下的回收沉淀。
鸟粪石纯度计算公式[12-13]:鸟粪石纯度=(CN · V/MN · MMAP)/mMAP。式中:CN为回收鸟粪石加酸溶解后测得的氨氮质量浓度(mg · L-1); V为溶解液定容体积(L); MN为氮的摩尔质量(g · mol-1); MMAP为鸟粪石的摩尔质量(g · mol-1); mMAP为溶解回收鸟粪石的质量(mg)。
2 结果与分析 2.1 反应时间和温度对鸟粪石结晶法去除餐厨沼液中氨氮含量的影响从图 1-A可知:在反应前45 min, 沼液中氨氮含量与反应时间呈极显著的负相关关系(y=-3.833 t+1 224, R2=1), 斜率为-3.83 mg · L-1 · min-1, 氨氮去除率为68.91%;45~75 min, 氨氮含量下降趋势减缓, 采用直线方程拟合(y=-0.933 t+1 098, R2=0.75)得出斜率仅为-0.93 mg · L-1 · min-1, 此阶段氨氮去除率仅为0.85%。0~75 min, 累积氨氮去除率为69.76%;75 min后, 氨氮含量则基本不变, 维持在1 023 mg · L-1左右, 累积去除率基本维持在75 min时的水平, 说明鸟粪石结晶反应主要在75 min内完成。因此, 在后续试验中为确保鸟粪石形成充分完成, 所有处理餐厨沼液的反应时间均设置为90 min。
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图 1 反应时间和温度对鸟粪石结晶法去除餐厨垃圾沼液中氨氮的影响 Fig. 1 Effect of reaction time and temperature on the removal of ammonia nitrogen in anaerobically digested food-waste slurry by struvite crystallization |
鸟粪石结晶是由Mg2+、NH4+和PO43-按等摩尔比进行化学反应形成磷酸铵镁的过程。图 1-B表明, 温度对鸟粪石结晶法这种化学反应去除沼液中的氨氮影响相对较小。在20~40 ℃内, 随着温度升高, 氨氮去除率稍有下降(下降率仅2.31%), 基本维持在66.45%~68.58%。这是因为随着温度的不断升高, 鸟粪石结晶的Ksp也随之增加, 溶液的过饱和度下降, 导致鸟粪石结晶推动力减小, 使氨氮去除率呈下降趋势[14]。
2.2 起始pH值对鸟粪石结晶法去除餐厨沼液中氨氮的影响鸟粪石结晶的pH值为7.0~10.0, 最佳pH值为9.0~9.5, 考虑到实际运行中成本和出水对后续生物处理的影响, 控制pH值为7.0~9.0, 以确保有较高的氨氮去除率[15]。从图 2可知:在pH值为7.5~11.0, 随着起始pH值的不断增加, 氨氮去除率先升高后降低。起始pH值为7.5~9.0时, 氨氮去除率随pH升高而逐渐增加, 由67.78%增加至74.15%。
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图 2 起始pH值对鸟粪石结晶法去除餐厨垃圾沼液中氨氮的影响 Fig. 2 Effect of initial pH value on the removal of ammonia nitrogen in anaerobically digested food-waste slurry by struvite crystallization |
当起始pH值大于9.0时, 氨氮去除率逐渐下降, 由74.15%降至62.36%。有研究表明, Mg(OH)2在pH大于9.0后开始逐渐形成, 且生成量随pH值升高而增加[16]。本研究中, 随溶液起始pH值逐渐升高, 体系中Mg2+和OH-反应生成Mg(OH)2, 在强碱的作用下, 还会生成更加难溶于水的磷酸镁沉淀[17], 这降低了餐厨沼液中Mg2+的浓度, 不利于形成鸟粪石结晶, 降低了氨氮去除率; 随着pH值的不断升高, 体系中的NH4+逐渐转变为NH3逸出[5], 这也不利于鸟粪石结晶的形成。因此, 起始pH9.0是鸟粪石结晶法处理餐厨沼液最佳pH值, 此时氨氮去除率达到最高值(75.69%), 溶液中氨氮含量从3 382 mg · L-1降至822 mg · L-1。
目前, 鸟粪石结晶法处理废液一般需要控制恒定的pH条件[18]。从表 1可知:针对实际的餐厨沼液, 在镁、磷、氮摩尔比为1 : 1 : 1的条件下, 仅调节起始pH值为9.0, 其鸟粪石结晶法对氨氮去除率(73.09%)与恒定pH值为9.0时处理的去除率(74.76%)并没有明显差别, 但矿物中鸟粪石所占比例(纯度)却高5%左右。在没有SS的等浓度氨氮模拟废水中, 恒定pH9.0处理的氨氮去除率比起始pH9.0的处理显著增加29.07%。这说明维持pH值的恒定有利于鸟粪石结晶法去除氨氮。本研究还发现, 沼液对酸碱有较强的缓冲性(数据未显示)。在没有缓冲性的氨氮模拟废水中, 加入磷酸盐和镁盐后, pH值从起始的9.0降至5.5, 而在沼液中, pH值仅降至8.1。由于鸟粪石形成的pH值范围为7.0~10.0, 因此, 即使后期不调节pH值至9.0, 也会比模拟废水生成更多的鸟粪石。如果恒定pH值为9.0, 模拟废水明显增加鸟粪石的形成。值得指出的是, 在起始pH9.0的模拟废水中, pH值的降低促进鸟粪石纯度增加, 达到89.49%。这是因为Mg(OH)2在pH值大于9.0后逐渐开始形成[16], 在恒定pH值为9.0的条件下, 水镁石逐渐产生, 导致鸟粪石纯度下降; 而在初始pH值的条件下, 加入沉淀剂使pH值下降, 抑制水镁石的产生从而导致鸟粪石纯度增加。
| 指标 Index |
模拟废水 Simulated wastewater |
餐厨沼液 Anaerobically digested slurry |
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| 恒定pH9.0 Constant pH9.0 |
起始pH9.0 Initial pH9.0 |
恒定pH9.0 Constant pH9.0 |
起始pH9.0 Initial pH9.0 |
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| 氨氮去除率/% Ammonia nitrogen removal rate | 85.71±1.26 | 56.64±0.58 | 74.76±0.60 | 73.09±1.20 | |
| 鸟粪石纯度/% The purity of struvite | 87.53±2.91 | 89.49±3.49 | 77.74±0.58 | 81.65±1.74 | |
| 反应后pH值The pH value after reaction | 9.0±0.01 | 5.5±0.01 | 9.0±0.01 | 8.1±0.03 | |
在餐厨沼液中, 在起始pH9.0的条件下鸟粪石纯度比在恒定pH9.0条件下高。这是因为在恒定pH9.0的条件下, 生成鸟粪石结晶的同时会逐渐产生水镁石, 导致鸟粪石结晶的纯度降低。在起始pH9.0条件下处理餐厨沼液, 虽然反应初期pH值短暂下降, 但由于沼液具有优良的缓冲能力, 反应结束后沼液的pH值为8.1。由于此pH值能够抑制水镁石沉淀的产生但不会减少鸟粪石结晶体的形成[16], 因此鸟粪石纯度增加。通过XRD检测并与标准卡片对比(图 3), 确定结晶沉淀物的主要成分为鸟粪石。
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图 3 不同pH值条件下鸟粪石结晶法处理餐厨垃圾沼液时所获沉淀的X射线衍射(XRD)图谱 Fig. 3 The X-ray diffraction(XRD)pattern of precipitate obtained by struvite crystallization in anaerobically digested food-waste slurry under different pH |
因此, 鸟粪石结晶法处理餐厨沼液采用起始pH9.0反应代替恒定pH9.0反应, 在氨氮去除率较高的情况下能够获得纯度较高的鸟粪石, 这有利于后续回收利用。
2.3 镁、磷摩尔比和磷、氮摩尔比对鸟粪石结晶法去除餐厨沼液中氨氮的影响镁、磷、氮摩尔比是鸟粪石结晶法中最重要的影响因素之一, 提高Mg2+、NH4+或PO43-的物质的量, 会促进反应向鸟粪石沉淀方向进行, 提高鸟粪石结晶脱氮或除磷的效率[19]。图 4表明, 随着镁、磷摩尔比的不断增加, 氨氮及水溶性磷的去除率均明显增加。镁、磷摩尔比为0.6~1.1时, 氨氮去除率逐渐升高, 此阶段主要是过量的NH4+和PO43-使Mg2+反应完全, 氨氮和水溶性磷的去除率随Mg2+不断增加而增加; 当镁、磷摩尔比为1.1时, 氨氮去除率升高至74.91%左右, 此时氨氮残留浓度为796.0 mg · L-1, 而水溶性磷的残留量为35.35 mg · L-1。当继续增加镁、磷摩尔比时, 氨氮及水溶性磷的去除率基本未发生太大变化, 此结果与冯皓迪等[20]的研究结果一致。综合考虑氨氮去除率以及水溶性磷的残留量, 选取镁、磷摩尔比为1.1为最佳。
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图 4 镁、磷摩尔比对鸟粪石结晶法去除餐厨垃圾沼液中氨氮及水溶性磷的影响 Fig. 4 Effect of molar ratio of Mg to P in anaerobically digested food-waste slurry by struvite crystallization on the content of residue ammonia nitrogen and phosphate in the slurry |
固定镁、磷摩尔比为1.1后, 为了提高氨氮去除率, 需要提高磷、氮摩尔比。通过增加Mg2+和PO43-的物质的量促使反应向鸟粪石结晶沉淀方向进行, 以达到较高的氨氮去除率。从图 5可知:当磷、氮摩尔比为1.0~1.3时, 氨氮含量由810.40 mg · L-1降至48.74 mg · L-1, 去除率由74.46%升高至97.49%, 餐厨沼液中的氨氮基本反应完全, 继续增加磷、氮摩尔比, 氨氮的去除率基本不会发生变化。因此, 选取镁、磷、氮摩尔比为1.43 : 1.3 : 1作为鸟粪石结晶法处理餐厨沼液中氨氮的最佳比例。
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图 5 磷、氮摩尔比对鸟粪石结晶法去除餐厨垃圾沼液中氨氮的影响 Fig. 5 Effect of molar ratio of P to N in anaerobically digested food-waste slurry on ammonia nitrogen content after struvite crystallization |
Parsons等[21]证实鸟粪石具有典型的斜方晶形结构。对回收的鸟粪石进行了XRD(图 6)和SEM(图 7)分析。最佳条件下生成鸟粪石结晶的XRD图谱与鸟粪石标准卡片的特征峰吻合良好, 这说明生成的矿物中基本为鸟粪石晶体(图 6)。从放大500倍的鸟粪石结晶的SEM图中可以观察到生成物颗粒为斜方晶形结构(图 7-a), 与已有的研究结果一致[17, 22]。生成的鸟粪石结晶体表面比较粗糙且存在附着物(图 7-b), 这说明反应除了生成的鸟粪石晶体外还有其他的沉淀物生成。
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图 6 餐厨垃圾沼液在最佳反应条件下回收的鸟粪石的XRD图谱 Fig. 6 The XRD pattern of the precipitation harvested in anaerobically digested food-waste slurry by struvite crystallization under optimal reactional condition |
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图 7 餐厨垃圾沼液在最佳反应条件下回收的鸟粪石的扫描电子显微镜(SEM)图谱 Fig. 7 The scanning electron microscope(SEM)pattern of the precipitation harvested in anaerobically digested food-waste slurry by struvite crystallization under optimal reactional condition |
从表 2可知:EDS数据显示的主要元素有碳、氧、镁、磷、钾和钙。理论上纯净鸟粪石镁、磷摩尔比应该为1.0, 但是经过计算可知镁、磷摩尔比为0.8左右, 这说明除了生成磷酸铵镁外, 还生成了其他含磷的沉淀。回收沉淀中钾元素说明可能生成钾型鸟粪石等沉淀; 钙离子说明在反应过程中可能生成无定型的磷酸钙等沉淀[23], 也说明沼液中的钙离子会在鸟粪石形成过程中竞争磷酸根离子, 导致鸟粪石的纯度变差[24]。另外, 经计算所得的鸟粪石晶体的纯度为73.82%, 而在镁、磷、氮摩尔比为1 : 1 : 1时, 鸟粪石纯度为81.65%。这说明提高镁、磷摩尔比虽然能够显著提高餐厨沼液中氨氮的去除率, 但是会降低回收鸟粪石晶体的纯度, 因此需要根据需求来确定鸟粪石沉淀法的最优镁、磷、氮摩尔比, 以获得最佳经济效益。
| 元素Element | w/% | x/% |
| C | 23.17 | 32.85 |
| O | 46.33 | 49.30 |
| Mg | 10.37 | 7.26 |
| P | 16.32 | 8.97 |
| K | 0.36 | 0.16 |
| Ca | 3.44 | 1.46 |
| 注: w:质量分数Mass fraction; x:原子数分数Atomic fraction. | ||
目前, 活性污泥法是污水处理的主要方法[25], 餐厨沼液由于其高氨氮和低C/N, 直接采用此方法处理难度极大。主要是由于高浓度氨氮对有机物降解菌和硝化菌的活性都有一定的抑制作用, 低C/N则影响生物脱氮过程[26]。经过鸟粪石结晶法处理后, 能够使处理前的原始餐厨沼液中的氨氮含量从3 382 mg · L-1降至48.74 mg · L-1(表 3), 去除率高达98%。COD/TN由5.38升高至43.96, 这将有利于沼液的后续生化处理。
| 样品 Sample |
pH值 pH value |
氨氮含量/(mg·L-1) Ammonia nitrogencontent |
TN含量/(mg·L-1) TN content |
COD含量/(mg·L-1) COD content |
水溶性磷含量/(mg·L-1) Water-solublephosphorus content |
COD/TN |
| 处理前Before the treatment | 8.10±0.01 | 3 382±38 | 3 749±55 | 20 153±216 | 40.00±4.24 | 5.38 |
| 处理后After the treatment | 7.85±0.02 | 48.74±2.46 | 442±41 | 19 429±324 | 35.35±1.41 | 43.96 |
值得指出的是, 处理前原沼液中总磷含量为477 mg · L-1, 但总磷主要以颗粒态磷形式存在, 并不能参与鸟粪石结晶过程, 而参与结晶过程的水溶性磷含量(仅40 mg · L-1)却很低。因此, 为高效回收水中氨氮, 需要外源添加大量的可溶性磷酸盐。从表 3中可知:加入外源磷并经鸟粪石结晶后沼液中残余的水溶性磷并没有升高反而降低(35.35 mg · L-1), 说明加入的磷酸盐几乎全部参与了鸟粪石结晶。
3 结论1) 餐厨沼液在温度28 ℃、起始pH9.0、反应时间90 min的条件下, 当镁、磷、氮的摩尔比为1.43 : 1.3 : 1时, 通过鸟粪石结晶法可使沼液氨氮浓度从起始的3 382 mg · L-1降低至48.74 mg · L-1, 去除率高达98%。
2) 鸟粪石结晶法虽然对餐厨沼液COD的消减几乎没有作用, 但沼液的COD/TN提高约8倍, 这将有利于提高沼液的后续生化处理效果。
3) 沼液中虽然总磷含量(477 mg · L-1)较高, 但能实质参与鸟粪石结晶过程的水溶性磷浓度却较低, 因此, 为高效回收沼液中氨氮, 需要投入较多镁源外还需要补充大量的磷源, 成本相对较高。寻找低廉的镁源和磷源或者将鸟粪石回收后脱氮再生利用其中的镁和磷, 是今后的研究方向。
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