RCR新文:磷在藻类废水处理系统中作为生物肥料的最大化回收

发布时间:2022-09-20

  文章信息

  原文标题:

  Maximizing phosphorus recovery as biofertilizer in an algal wastewater  treatment system

  原文作者(*通讯):

  I.S.A. Abeysiriwardana-Arachchige,N. Samarasingha,R. Rosalez,S.P Munasinghe-Arachchige,H.M.K. Delanka-Pedige,C.E. Brewer c, N. Nirmalakhandan*

  作者单位:

  美国新墨西哥州立大学土木工程系,美国新墨西哥州立大学物理系,美国新墨西哥州立大学化学与材料工程系

  关键词:

  磷回收;鸟粪石产量;磷酸钙收益率;流程优化;过程经济学

  原文链接:

  http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0921344921001592

  文章导读

   磷(P)是所有生物必需的营养物质,且没有已知的替代品。农业部门提供营养需求,并严重依赖磷的稳定供应。因为通过动物粪便和作物利用磷的自然循环只能满足目前需求的不到50%,其余需要通过开采自然存在的磷岩储备来提供。虽然预计2020年将开采约20公吨磷,但据估计其中约75%的磷最终将在没有任何回收的情况下消散到环境中。按照目前的消费轨迹,剩余的经济上可用的磷储量预计将在50-100年内耗尽。其中大部分储量由少数几个国家控制,包括摩洛哥、中国和美国,其中一些国家如中国,已经对磷的出口施加了限制。由于磷的全球分布不均和可得性有限,磷现在被认为是人类生存的一种战略资源。因此有必要采用系统的方法来确定磷循环的低效率,以尽量减少对有限和孤立的自然矿床的依赖。

    尽管磷是一种重要的营养物质,但成年人摄入的磷几乎100%都被排出体外,其中大部分进入城市污水。根据欧洲化肥制造商协会,城市污水提供了回收和回收磷的潜在机会,以延长地球上剩余储备的寿命:仅从人类排泄物中回收磷就可以减少15%以上的磷需求。尽管磷具有对生命的重要性和有限的可得性,目前的污水处理厂(STPs)花费大量的精力去除磷,以减少水域的污染,而回收工作很少。根据美国环境保护署,磷主要通过化学沉淀法去除,平均费用为7.40 kWh/kg。

  1.1. 从污水中回收磷的新方法

   虽然传统的污水处理做法已演变为去除/销毁磷,以满足规定的污水排放标准,但最近出现了一些新的工艺,可回收磷,进行有益的重复利用。这些新兴的回收工艺大多被设计为现有污水处理基础设施的附加设备,以利用富含磷的侧流,如初级污泥、废弃活性污泥、厌氧消化污泥的集中物和焚烧污泥的灰。在现有的磷回收工艺中,结晶生成磷酸钙(Ca3(PO4)2)或鸟粪石(NH4MgPO4,简称MAP)是首选的工艺,因为设计简单,易于操作。在磷酸钙和MAP之间,MAP因其磷含量高和同时回收氮而优先使用。结晶工艺的专利,包括AirPrex®和Ostara Pearl®,也被北美和欧洲的一些STP采用来回收磷。之前的研究表明,在传统的STP中,初级出水(PE)中70%的磷最终分解成来自厌氧消化器的固体残留物,为磷的回收提供了最佳机会。当利用化学沉淀法去除磷时,从产生的化学污泥中回收磷是有问题的。例如,在采用化学沉淀法的STP中,从焚烧的污水污泥灰中回收的产品中发现了高水平的铝和铁,因此必须采取额外的净化步骤。

  1.2. 用于污水处理和资源回收的藻类途径

  之前的研究记录了一种基于藻类的污水处理和资源回收(STaRR)系统,可一步去除PE中的有机碳和营养物质。STaRR系统利用一种混合营养藻类菌种Galdieria suluraria,将PE中的营养浓缩为营养丰富的藻类生物量,并通过下游过程进行回收。STaRR系统的主要组成部分包括: 1)污水处理/藻类培养; 2)对产生的藻类生物量进行水热液化(HTL); 3)回收生物质能量含量作为生物原油,并从HTL的两种副产品中回收营养:富氮的水相和富磷的固体生物炭。质量平衡分析证实,在STaRR系统的污水处理步骤中去除的几乎所有N和P都集中到藻类生物量中,损失可以忽略不计。因此,STaRR系统可以比传统的耗散污水处理系统回收更多的PE中的营养成分。

  文章摘要

  之前的报告已经证明一种处理沉淀污水的藻类途径,并通过水热液化(HTL)对产生的藻类生物量回收其能量、氮和磷。本研究的第一部分是强化磷(P)回收过程中的一个关键步骤,即HTL -生物炭的富磷副产物的碱性浸出,以产生富磷洗脱液。系统地评价了影响生物炭中磷浸出效率和成本的以下参数:浸出时间、碱基洗脱液浓度、浸出过程中的混合、浸出过程中的液固比(L:S)和温度。最佳浸出时间、碱浓度、L:S比和温度分别为72 h、0.5 M、20:1和60C。在这些最佳条件下,以4.54美元/公斤P的估计成本可从生物炭中提取86%的磷。在本研究的第二部分,开发了一个三步程序,从生物炭的富磷洗脱液中回收高纯度的生物肥料。第一步,杂质和24.6%的磷在洗脱液中析出。第二步,从第一步上清中析出优质鸟粪石(含洗脱液中P的72.7%)。第三步,将第一步的沉淀溶解,再沉淀为优质磷酸钙。这三步法从生物炭洗脱液中得到95.4%的磷,回收率为5.29美元/公斤P。回收的鸟粪石和磷酸钙具有较高的化学纯度,符合美国环保署的对金属的指南。

  图1 基于藻类的污水处理和资源回收(STaRR)系统的当前版本概述

  图2 a)筛过的HTL生物炭(粒径<105 μm)的扫描电子显微镜(SEM)图像,b)生物炭的能量色散x射线(EDX)峰,c)生物炭中的金属成分(由ICP-OES结果计算),d) ICP-OES分析水相中的金属浓度

  图3 从HTL生物炭中P的平均浸出效率与混合在20 rpm(★)和没有混合(•)在a) 40C和b) 60C三个L:S比:20,40和100。洗脱液为1 M NaOH。虚线表示50%和75%的效率。所有条件均重复进行(n = 2)

  图4 在两种温度(40C和60C)和三个L:S值(100,40,20)使用a) 1 M和b) 0.5 M NaOH作为洗脱液的时间从HTL生物炭的P的浸出效率。虚线表示50%和75%的效率。所有实验都进行了重复(n = 2)。在所有情况下都提供了20rpm的混合

  图5 HTL生物炭的p -浸出效率作为时间的函数在L:S比和温度a) L:S = 100和40C, b) L:S = 40和40C, C) L:S = 20和40C, d) L:S = 100和60C, e) L:S = 40和60C和,f) L:S = 20和60C使用四种NaOH浓度洗脱剂。虚线表示50%和75%的效率

  图6 a) P1沉淀物的SEM图,b) P1沉淀物的EDX图,c) P2沉淀物(鸟粪石)的SEM图,d) P2沉淀物的EDX图,e) P3沉淀物(磷酸钙)的SEM图,f) P3沉淀物的EDX图

  图7 a)鸟粪石(析出相2)和,c)磷酸钙(析出相3)的x射线衍射剖面和,b)纯鸟粪石(MAP)的参考数据

  图8 鸟粪石和磷酸钙样品中应关注的重金属含量。

  Abstract

  Our previous reports have demonstrated an algal pathway for treating settled sewage and recovering its energy-, nitrogen-, and phosphorous-contents via hydrothermal liquefaction (HTL) of the resulting algal biomass. The first part of the current study was to intensify a critical step in the phosphorous (P) recovery process which entails alkaline leaching of the P-rich byproduct of HTL- biochar, to yield a P-rich eluate. The following parameters driving the efficiency and cost of leaching P from biochar were systematically evaluated: leaching time, concentration of base eluent, mixing during leaching, liquid:solid (L:S) ratio in leaching, and temperature. Optimum leaching time, base concentration, L:S ratio, and temperature were found to be 72h, 0.5M, 20:1, and 60C, respectively. Under these optimal conditions, >86% of P in the biochar could be extracted at an estimated cost of $4.54/kg P. In the second part of this study, a three-step procedure was developed to recover high-purity biofertilizers from the P-rich eluate of biochar. In the first step, impurities along with 24.6% of P in the eluate were precipitated. In the second step, high-quality struvite (comprising 72.7% of P in the eluate) was precipitated from the supernatant of the first step. In the third step, the precipitate from the first step was dissolved and its P- content was re-precipitated as high-quality calcium phosphate. This three-step procedure resulted in 95.4% P-  recovery from biochar eluate at $5.29/kg P. Reclaimed struvite and calcium phosphate were shown to be of high chemical purity, complying with US EPA guidelines for metals.

  本期编辑

  彭方玥,哈尔滨工业大学,博士研究生。

  (转自RCR资源节约与循环)

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