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通过基于氨氮含量的元素分析法对不同pH条件下获得的磷酸盐沉淀物进行定量分析结果表明,高纯度鸟粪石的最佳形成条件并非众多文献所报导的强碱性条件(8.5~10.5)。进言之,钙离子浓度较高时,提高pH会进一步降低沉淀产物中鸟粪石的含量。这意味着,低pH(7.5~8.0)有利于高纯度鸟粪石的形成。然而,低pH条件下,鸟粪石结晶形成速率缓慢,从而限制其工程化应用。因此,有必要在保证获得较高纯度鸟粪石沉淀物的前提下,研究如何在低pH(7.5~8.0)条件下加速鸟粪石的生成,以实现其工程化应用的可能。本论文实验研究内容概括如下:
(1)引入外加晶种,加速鸟粪石形成。鸟粪石结晶法反应速度取决于鸟粪石晶体的成核速率和成长速率,加入晶种可有效缩短鸟粪石的成核时间,从而缩短鸟粪石反应时间。同时,这还有利于形成晶粒较大、粒径均匀的鸟粪石晶体,导致较好的沉淀效果,便于收集。本研究选择鸟粪石晶体与石英微砂作为晶种,实验考查加速鸟粪石形成反应速率。实验结果表明,以鸟粪石作为晶种可有效加快新鸟粪石的形成速率。在纯水体系下,保持pH=7.5反应条件,加入鸟粪石晶种(0.5 g/L)后可使反应达到平衡的时间由45 min缩短至20 min,溶液中磷去除率达80.56%(磷的起始反应浓度为155 mg P/L)。激光粒度分析结果显示,加入鸟粪石晶种后,鸟粪石平均粒度为56.56μm,而未加入晶种的反应体系所获得鸟粪石的平均粒度仅为26.83μm。
(2)基于鸟粪石品种可加快鸟粪石形成反应速率,将鸟粪石回收实验扩大至中试规模。自行设计中试装置,通过鸟粪石回流系统,将沉淀池获得的部分鸟粪石回流至反应池中,并控制反应池进水和回流流量,从而调节出水磷的去除率。进水流量没定为80 ml/min时,回流流量控制在60 ml/min时,在pH=7.5~7.6的运行条件下可使溶液中磷去除率达到80%以上(磷的起始反应浓度为155 mg P/L)。实验结果表明:装置可以在自动运行的情况下,不断生成鸟粪石沉淀,使磷的去除效率达到与静态烧杯实验旗鼓相当的水平,并且通过鸟粪石回流量控制可使鸟粪石粒径不断增大。
(3)利用电化学沉积法去除模拟污水中的Mg2+、NH4+和HnPO4nn—3等构晶离子。电极通电后,阴极电解水释放出OH—,使阴极区pH维持在8.0左右,从而促进鸟粪石的生成。本研究设计了一种简易的电化学沉积装置,分别选用碳棒、钌铱钛、铂片做阳极,镍板为阴极,工作电压为3~12V,分别考查了工作电压、电流、反应温度、Mg/P比等因素对鸟粪石形成的影响。实验结果表明,在保持鸟粪石较高纯度的前提下,提高Mg/P比有助于提高反应体系磷的去除率,例如,温度为25℃、Mg/P比为3时,溶液中磷去除率可达94%(磷的起始反应浓度为155 mg P/L)。
总之,在pH=7.5~8.0下,鸟粪石回收反应加速具有较大潜力。如果在这方面的研究能够取得突破性成果,那么对磷回收来说工程意义重大。