污水磷回收新产物——蓝铁矿

渐行渐近的磷危机使磷回收从理论已经走向实践.磷回收产物形式很多,但经济、具有高附加值的产物才能驱动企业自愿实施.在污水处理生物污泥中新近发现的蓝铁矿(Vivianite,Fe_3(PO_4)_2·8H_2O)沉淀物因潜在的特殊用途以及经济价值而备受关注.自然界,蓝铁矿广泛存在于地表水体沉积物中,是一种非常稳定(K_(sp)=10~(-36))的磷铁化合物.决定蓝铁矿生成的条件除富铁、富磷之内在因素外,还需要环境中存在合适的还原性条件(ORP-300 mV)以及中性上下的pH条件(6～9).实践中,污水或污水处理过程中有时刚好存在蓝铁矿形成的内、外在条件,荷兰污水处理厂在生物污泥中便检测发现有蓝铁矿物质的存在.为推动蓝铁矿基础及其应用研究,本文综述蓝铁矿化学性质、经济价值及回收潜力;分析pH、ORP、微生物、硫化物等环境影响因素;辨析其在生物污泥中的生成路径;提出从污泥中分离、提纯蓝铁矿的研发思路.     

不同铁源对剩余污泥厌氧系统中蓝铁石生成的影响

以污水处理厂剩余污泥为研究对象,污泥经酸/碱预处理（pH=3.0/pH=10.0）后,分别以FeOOH、FeCl₃及Fe₂O₃为外加铁源,进行厌氧发酵,探究铁源对厌氧系统中蓝铁石晶体生成的影响.结果表明：FeCl₃和FeOOH可以高效地被还原为Fe²⁺,其铁还原效率（E_Fe）最高为56.24%~80.10%,且酸处理效果优于碱处理（3.00%~13.31%）,而Fe₂O₃的E_Fe相对较低,最高分别为31.94%（pH=3.0）和50.1%（pH=10.0）.FeOOH和Fe₂O₃的投加,可促进胞外聚合物（EPS）中蛋白质含量的提升,增强胞外电子传递能力,但Fe₂O₃因其结晶度高,阻碍了铁还原微生物对铁源的利用,导致铁还原效率低.上清液PO₄^3-浓度、污泥Fe-P比例与E_Fe呈负相关,E_Fe越高则PO₄^3-浓度、Fe-P比例越低.FeOOH组上清液PO₄^3-浓度下降幅度最大,反应第9 d PO₄^3-浓度最低,仅为对照组的10.30%（pH=3.0）和17.20%（pH=10.0）,其次是FeCl₃组（22.83%/27.87%）,Fe₂O₃组最终剩余较多PO₄^3-（65.02%/56.33%）;FeOOH、FeCl₃和Fe₂O₃酸/碱组的Fe-P比例分别为32.19%/21.20%、34.41%/23.09%和20.92%/11.99%.铁源的添加提高了污泥的磷回收率（R_p）,并且酸预处理效果优于碱处理,其中FeCl₃组R_p最高,是对照组的2.91倍,其次是FeOOH组（2.63倍）和Fe₂O₃组（2.12倍）.XRD分析表明,FeOOH和FeCl₃酸/碱预处理组均生成了蓝铁石晶体.     

异化还原铁泥合成蓝铁矿/微生物复合材料固载铅研究

铁基复合材料具备优异的吸附/固载重金属性能,常用于钝化土壤中的铅,但常规的化学合成方法成本较为昂贵.为此,本文研发一种基于芬顿铁泥（Iron Sludge, IS）资源化利用的铅钝化材料,即通过异化铁还原菌（Shewanella Oneidensis MR-1）调控形成官能团丰富、比表面积大、表面负电荷量高的蓝铁矿/微生物复合材料（Vivi/MR-1）,并研究其对铅的吸附固载性能.结果发现,Vivi/MR-1对铅的最大吸附容量为118 mg·g^-1,高于MR-1（78 mg·g^-1）、IS（61 mg·g^-1）、Vivi（52 mg·g^-1）,且具有较宽的pH工作范围,受环境中其他金属离子的影响较小.结合X射线衍射仪（X-ray diffractometer, XRD）、傅里叶红外光谱（Fourier Transform Infrared Spectrometer, FTIR）等表征技术,确定吸附成矿、官能团络合是Vivi/MR-1钝化铅的主要机制.最后,通过土壤钝化实验进一步验证该复合材料对土壤中铅的固载性能,研究表明,Vivi/MR-1可将土壤中酸溶解态铅降低93.6%,极大地降低了铅的迁移性.     

A Petrographic Investigation of two Sequential Extraction Techniques Applied to Anaerobic Canal Bed Mud

The application of sequential extraction procedures to determine metal speciation in sediments is fraught with uncertainty regarding what is actually dissolving or re-precipitating at each stage. In order to choose an appropriate scheme for the investigation of contaminated anaerobic mud two different sequential extraction procedures (Kersten and Förstner, 1986; Quevauviller, 1998) were investigated using a Cryogenic SEM (CryoSEM) technique coupled with energy dispersive X-ray analysis (EDXA). This enabled assessment of the degree of reagent selectivity and any re-precipitation associated with the respective methods. Analysis of the non-leached sediment revealed the most abundant authigenic minerals in order of decreasing abundance to be Fe²⁺-phosphate vivianite (Fe₃(PO₄)₂·8H₂O), mixed Fe, Zn, Cu sulphides, pyrite and calcite. After each stage of the sequential extraction the sediment residue was examined using CryoSEM. After extraction of the exchangeable fraction no obvious evidence of mineral dissolution was observed. Calcite was not completely dissolved during the carbonate extraction stage of either procedure. Vivianite began to dissolve in the carbonate extraction stage of both procedures and was completely dissolved by oxide extraction stage of both procedures. The sediment leached by acidified ammonium oxalate, contained abundant Fe oxalate crystals, suggesting that a large proportion of the Fe released from the vivianite has been re-precipitated. The Fe oxalate was then dissolved with the subsequent sulphide fraction. The technique used to extract the sulphide and organic fraction is the same in both schemes and no sulphide or metal rich organic matter was found in either residue.     

基于酸浸焚烧污泥灰中的磷释放及蓝铁矿生成

酸浸焚烧污泥灰(ISSA)是一种湿化学法提取磷(P)的工艺,因其操作简单、损耗低而被广泛应用.以烘干污泥为对照,通过考察不同温度(600～900℃)下ISSA中的磷形态和矿物相转变,研究了H₂SO₄和HCl作为提取液的酸浓度、酸浸时间和液固比对ISSA样品释磷性能以及对Ca、Al、Mg、Fe等关键金属元素浸出行为的影响,最终通过酸浸、阳离子交换树脂(CER)纯化和沉淀三步反应得到磷回收产物.结果表明:ISSA样品磷的形态以非磷灰石态无机磷(NAIP)为主,且部分NAIP会随着焚烧温度的升高转变为磷灰石态无机磷(AP);同时,污泥样品经两种提取液酸浸后,金属元素Ca、Al、Mg释出量最多,其中Ca、Mg元素的浸出量随焚烧温度的升高变化不大,而Al的浸出量随焚烧温度的升高急剧降低;相比其他焚烧温度,800℃条件下ISSA释磷性能更好,且H₂SO₄酸浸释磷性能优于HCl酸浸,当H₂SO₄浓度为0.10mol/L、液固比为150mL/g、酸浸时间为150min时释...     

石墨强化微生物异化铁还原合成蓝铁石的磷回收研究

蓝铁石结晶法磷回收是近年来国内外磷回收领域研究的热点.如何获得高产率的结晶产物,对于蓝铁石结晶法磷回收技术的广泛应用至关重要.本研究将不同投加量、不同粒径的石墨加入到混菌铁磷复合体系中培养22 d,探讨石墨对微生物异化铁还原合成蓝铁石过程的影响,以期为碳材料强化蓝铁石结晶法磷回收提供科学依据.结果表明:当石墨投加量为1 g·L~(-1)、粒径为10μm时,Fe(Ⅱ)含量在第10 d和第14 d时分别比对照组高12%和10%,对蓝铁石合成的强化作用最为明显.因此,1 g·L~(-1)、10μm的石墨投加条件为本实验中石墨强化微生物异化铁还原合成蓝铁石的最佳磷回收条件.实验末期测定了对照组和最佳石墨组体系中微生物蛋白含量,发现二者之间并无明显差异,表明石墨对微生物量的影响不大.此外,分析微生物群落结构变化发现,与原始污水水样相比,对照组和石墨组的变形菌门比例明显增加,且石墨组的增幅更大,表明石墨更利于变形菌的富集.由此推测,石墨对微生物异化铁还原合成蓝铁石的促进可能源于体系中石墨对变形菌门细菌的强化富集作用.