出品:科普中國
制作:中科院武漢植物園
工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中排放的廢水中含有高含量的磷,通過雨水沖淋和地表徑流等方式進(jìn)入水體和湖泊,引發(fā)浮游藻類大量繁殖,造成水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象。
生物除磷 OR 化學(xué)除磷
當(dāng)前常用的除磷途徑有生物除磷法和化學(xué)除磷法。廢水的生物除磷是指采用厭氧-好氧工藝,使磷以溶解態(tài)為微生物所攝取,并隨同微生物從污水中分離的除磷方法。盡管經(jīng)過幾十年的發(fā)展,生物除磷技術(shù)已經(jīng)非常成熟,但還是存在一些固有的弊端,如工藝復(fù)雜且運(yùn)行不夠穩(wěn)定,運(yùn)行費(fèi)用高,生化反應(yīng)速率有限等,導(dǎo)致除磷效果有限。
化學(xué)除磷是通過加入金屬離子在特定條件下將溶解態(tài)的磷沉淀轉(zhuǎn)化為一種固體態(tài)的磷。常用的金屬離子有鈣、鐵、鎂和鋁等?;瘜W(xué)方法的總除磷效率在一定條件下可達(dá)到90%以上,具有操作簡(jiǎn)單、除磷效果好等特點(diǎn)。
鳥糞石回收磷:效率高、成本低
在堿性條件下,廢水中加入適量鎂鹽,可收獲白色粉末狀物質(zhì)(圖1)。通過這種化學(xué)除磷沉淀的方法可以有效回收去除廢水中的磷。這種物質(zhì)化學(xué)名是磷酸銨鎂,俗稱“鳥糞石”。
(圖1 從廢水中獲取的鳥糞石粉末)
鳥糞石在水中的溶解度極低,可作為一種磷肥生產(chǎn)的原材料或緩釋肥料,用于農(nóng)作物生長?;谶@種沉淀法可回收廢水中95%以上的磷,只需投加一定量的堿和鎂源,具有效率高、成本低的優(yōu)點(diǎn)。這不僅有利于實(shí)現(xiàn)廢水中磷資源的循環(huán)利用,也有利于減輕水體污染和磷去除負(fù)荷。
廢水中的鈣離子:影響鳥糞石回收磷
廢水中同樣含有一定量的鈣。鈣離子在堿性條件下會(huì)和鎂競(jìng)爭(zhēng),也可能和磷反應(yīng)形成一系列磷酸鈣化合物沉淀,這可能會(huì)影響磷回收效率和形成鳥糞石晶體特征。
中科院武漢植物園污染生態(tài)學(xué)學(xué)科組針對(duì)這一問題,研究了廢水中不同鈣鎂摩爾比在鳥糞石磷回收過程中對(duì)水質(zhì)參數(shù)和晶體特征的影響。
研究發(fā)現(xiàn),鈣離子會(huì)影響水體pH、氮磷濃度,也會(huì)影響形成的晶體特征,如粒徑、形狀、純度和元素組成等。同時(shí),由于鳥糞石與磷酸鈣的結(jié)晶機(jī)理存在差異,隨著鈣離子濃度的增加,廢水中會(huì)形成更多潛在的鈣磷化合物,使得形成晶體中鎂離子比例降低和鳥糞石純度降低。
這一方面導(dǎo)致晶體形狀由細(xì)長的針狀向圓柱狀或(橢)圓球發(fā)展(圖2);另一方面,形成晶體中鈣含量越來越高,大大降低了鳥糞石的純度。
圖2 不同鈣含量條件下獲取鳥糞石晶體的形態(tài)特征
(左圖:鈣鎂摩爾比為0;右圖:鈣鎂摩爾比為3/2)
科研人員發(fā)現(xiàn),當(dāng)廢水中鈣鎂摩爾比大于1/2時(shí),就不再合適進(jìn)行磷回收,因?yàn)檫@種條件下獲取的低純度鳥糞石含有一定量的鈣磷化合物,已不再具有鳥糞石的元素組成和緩釋特性,失去了其原有市場(chǎng)價(jià)值。
未來,科研人員將通過中試實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證廢水中磷回收在經(jīng)濟(jì)上的可行性,努力開拓大粒徑高純度鳥糞石的商業(yè)農(nóng)用價(jià)值,實(shí)現(xiàn)磷資源的循環(huán)利用。