市政污泥热解残渣中磷回收及鸟粪石合成研究

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2023-0656

摘要/Abstract

摘要：

针对污泥残渣的资源化应用开展了磷资源回收实验研究，系统分析了酸种类和不同浸出条件对污泥残渣中磷浸出率的影响，同时考察了pH、n（Mg）∶n（N）∶n（P）对含磷溶液合成鸟粪石的影响。实验结果表明，污泥残渣在液固比为20 mL/g、盐酸浓度0.4 mol/L、浸出时间4 h条件下，磷浸出率可达96.9%。通过阳离子交换树脂净化后的磷净化液在pH=10、n（Mg）∶n（N）∶n（P）=1.2∶1.2∶1的条件下结晶率可达98.1%，且获得的鸟粪石晶体中重金属含量均满足《有机无机复混肥料》（GB/T 18877—2020）标准限值。综上，通过磷提取、净化和结晶后可最终将污泥残渣中79%的磷进行回收。

关键词: 污泥残渣, 资源化, 磷回收, 鸟粪石

Abstract:

An experimental study on the recovery of phosphorus resource was carried out for the resource application of sludge residue. The effects of acid species and different leaching conditions on the leaching of phosphorus from sludge residue were systematically analyzed，and the effects of pH and n（Mg）∶n（N）∶n（P） on the synthesis of struvite from the solution containing phosphorus were investigated. The results showed that the leaching rate of phosphorus from sludge residue could reach 96.9% under the conditions of liquid/solid ratio of 20 mL/g，hydrochloric acid concentration of 0.4 mol/L and leaching time of 4 h. Moreover，the crystallization rate of the phosphorus purification solution purified by cation exchange resin could reach 98.1% at pH=10，n（Mg）∶n（N）∶n（P）=1.2∶1.2∶1，and the heavy metal content in the obtained struvite met the standard limit of Organic and Inorganic Compound Fertilizer （GB/T 18877-2020）. In summary，79% of phosphorus in sludge residue could be recovered after phosphorus extraction，purification and crystallization.

Key words: sludge residue, resource utilization, phosphorus recovery, struvite

中图分类号:

X705
TQ09

余波, 李箫宁, 严寒, 张名, 沈鹏飞, 赵浩, 万丽. 市政污泥热解残渣中磷回收及鸟粪石合成研究[J]. 工业水处理, 2024, 44(3): 177-183.

Bo YU, Xiaoning LI, Han YAN, Ming ZHANG, Pengfei SHEN, Hao ZHAO, Li WAN. Study on phosphorus recovery and struvite synthesis from municipal sludge pyrolysis residue[J]. Industrial Water Treatment, 2024, 44(3): 177-183.

https://www.iwt.cn/CN/Y2024/V44/I3/177

图/表 10

表1 污泥热解残渣浸出液重金属质量浓度 (mg/L)

Table 1 The mass concentration of heavy metal in leaching solution from sludge residue

重金属	Hg	As	Zn	Pb	Cd	Cr	Ni	Cu
质量浓度	0.029	0.024	0.257	ND	ND	0.019	0.008	0.044
标准Ⅰ限值	0.1	5	100	5	1	15	3	100
标准Ⅱ限值	0.05	0.5	2.0	1.0	0.1	1.5	1	2.0

图1 不同种类酸对磷浸出率的影响

Fig.1 Effects of different types of acids on phosphorus leaching rate

图2 浸出时间对磷浸出率的影响

Fig.2 The effect of leaching time on phosphorus leaching rate

图3 盐酸浓度和液固比对磷浸出率的影响

Fig.3 The effects of hydrochloric acid concentration and liquid/solid ratio on phosphorus leaching rate

表2 阳离子交换树脂对磷提取液中磷和金属元素的去除率

Table 2 Removal rates of phosphorus and metal elements from phosphorus extraction solution by cation exchange resin

元素	P	Fe	Ca	Cu	Ni	Al	Mg	As	Pb	Zn	Cr
去除率/%	16.2	86.5	91.7	88.2	53.8	100	99.8	87.5	50	85.3	54.5

图4 pH和n（Mg）∶n（N）∶n（P）对磷结晶率的影响

Fig.4 Effect of pH and n（Mg）∶n（N）∶n（P） on phosphorus crystallization rate

表3 合成鸟粪石的XRF分析结果

Table 3 XRF results of synthetic struvite

成分	质量分数/%	成分	质量分数/%
P₂O₅	40.399	Fe₂O₃	0.721
MgO	38.824	Al₂O₃	0.896
Na₂O	9.688	CaO	0.685
Cl	6.219	SO₃	0.211
SiO₂	2.259

图5 合成的鸟粪石晶体及其表征

Fig.5 Synthesized struvite crystals and their characterization

表4 合成鸟粪石中重金属质量分数

Table 4 The mass fraction of heavy metal in the synthesized struvite

重金属	Ni	Hg	As	Pb	Cd	Cr
质量分数/（mg·kg^-1）	91.3	2.8	41.4	24.8	6.1	442.1
标准Ⅰ限值/（mg·kg^-1）	—	5	50	150	10	500

表5 合成鸟粪石所需化学品和价格

Table 5 Chemicals and their prices for preparation of struvite

化学品	药耗	价格	费用/（元·kg^-1）
合计			9.469元/kg
含磷浸出液	100 L/kg	0.02元/L	2.000
氯化镁	0.984 kg/kg	1.1元/kg	1.082
氯化铵	0.311 kg/kg	0.6元/kg	0.187
氢氧化钠	1.2 kg/kg	2元/kg	2.400
阳离子交换树脂	1 kg/kg	3.8元/kg	3.800

参考文献 21

1	中国环保产业编辑部. 从“重水轻泥”到“泥水并重”污泥处置产业面临新的使命和机遇［J］. 中国环保产业，2023（1）：16-17.
	The Editorial Office of China Environmental Protection Industry. From “emphasizing water over mud” to “paying equal attention to mud and water”，the sludge disposal industry is facing new missions and opportunities［J］. China Environmental Protection Industry，2023（1）：16-17.
2	姚宸朕. 采用两段法从剩余污泥中回收磷的工艺试验研究［D］. 西安：西安理工大学，2018.
	YAO Chenzhen. Experimental study on phosphorus recovery from excess sludge by two-stage method［D］. Xi’an：Xi’an University of Technology，2018.
3	王文刚，陶红，戴晓虎. 脱水污泥基铁炭复合材料用于光Fenton催化降解有机污染物［J］. 环境工程学报，2020，14（8）：2232-2241. doi:10.12030/j.cjee.201911101
	WANG Wengang， TAO Hong， DAI Xiaohu. Dewatered sludge derived iron-carbon composite as a photo-Fenton catalyst for organic pollutant degradation［J］. Chinese Journal of Environmental Engineering，2020，14（8）：2232-2241. doi:10.12030/j.cjee.201911101
4	陈冠益，余洋，李宁，等. 污泥生物炭基催化剂在高级氧化水处理的应用［J］. 精细化工，2022，39（1）：47-55.
	CHEN Guanyi， YU Yang， LI Ning，et al. Application of sludge biochar-based catalysts in advanced oxidation processes for water treatment［J］. Fine Chemicals，2022，39（1）：47-55.
5	李彦龙. 污泥两步热处理过程重金属迁移转化与吸附行为研究［D］. 大连：大连理工大学，2022.
	LI Yanlong. Study on migration，transformation and adsorption behavior of heavy metals during two-step heat treatment of sludge［D］. Dalian：Dalian University of Technology，2022.
6	陆大川，顾卫华，赵静，等. 城市污泥热解影响因素分析及残渣资源化研究进展［J］. 无机盐工业，2023，55（5）：8-15.
	LU Dachuan， GU Weihua， ZHAO Jing，et al. Research progress of influencing factors of pyrolysis of municipal sludge and residue recycling［J］. Inorganic Chemicals Industry，2023，55（5）：8-15.
7	王艳语，苗俊艳，侯翠红，等. 城市污泥热解及其固体残渣资源化利用［J］. 化工矿物与加工，2020，49（12）：41-45.
	WANG Yanyu， MIAO Junyan， HOU Cuihong，et al. Pyrolysis of municipal sludge and utilization of its solid residues［J］. Industrial Minerals & Processing，2020，49（12）：41-45.
8	王涛. 城市污泥（水）热处理固体产物中磷的迁移转化及释放回收研究［D］. 长沙：湖南大学，2018.
	WANG Tao. Study on migration，transformation，release and recovery of phosphorus in solid products of municipal sludge（water） heat treatment［D］. Changsha：Hunan University，2018.
9	WANG Qiming， LI Jiangshan， TANG Pei，et al. Sustainable reclamation of phosphorus from incinerated sewage sludge ash as value-added struvite by chemical extraction，purification and crystallization［J］. Journal of Cleaner Production，2018，181：717-725. doi:10.1016/j.jclepro.2018.01.254
10	YU Xiaolong， NAKAMURA Y， OTSUKA M，et al. Development of a novel phosphorus recovery system using incinerated sewage sludge ash（ISSA） and phosphorus-selective adsorbent［J］. Waste Management，2021，120：41-49. doi:10.1016/j.wasman.2020.11.017
11	彭信子，刘志刚，周思琦，等. 市政污泥中磷的释放研究进展综述［J］. 净水技术，2017，36（1）：27-32.
	PENG Xinzi， LIU Zhigang， ZHOU Siqi，et al. Review of research and progress on phosphorus release from urban sewage sludge［J］. Water Purification Technology，2017，36（1）：27-32.
12	王方舟. 污泥中磷的释出效率与回收技术研究［D］. 北京：中国地质大学（北京），2020.
	WANG Fangzhou. Study on phosphorus release efficiency and recovery technology in sludge［D］. Beijing：China University of Geosciences（Beijing），2020.
13	陈昊铭. 市政污泥焚烧过程磷形态转变及焚烧灰草酸浸出磷回收的研究［D］. 武汉：华中科技大学，2019.
	CHEN Haoming. Study on phosphorus speciation transformation during municipal sludge incineration and phosphorus recovery from oxalic acid leaching from incineration ash［D］. Wuhan：Huazhong University of Science and Technology，2019.
14	孟详东. 基于低温热转化的污泥中磷的迁移转化及回用研究［D］. 杭州：浙江大学，2021.
	MENG Xiangdong. Study on migration，transformation and reuse of phosphorus in sludge based on low temperature thermal transformation［D］. Hangzhou：Zhejiang University，2021.
15	吴健，平倩，李咏梅. 鸟粪石结晶成粒技术回收污泥液中磷的中试研究［J］. 中国环境科学，2017，37（3）：941-947.
	WU Jian， PING Qian， LI Yongmei. A pilot-scale study on struvite pellet crystallization for phosphorus recovery from sludge liquor［J］. China Environmental Science，2017，37（3）：941-947.
16	汤超，熊小伟，蔡文良，等. 含油污泥热解残渣中热解炭的回收及应用研究［J］. 石油与天然气化工，2021，50（1）：124-128.
	TANG Chao， XIONG Xiaowei， CAI Wenliang，et al. Recycling of pyrolytic carbon in oily sludge residues［J］. Chemical Engineering of Oil & Gas，2021，50（1）：124-128.
17	许劲，朱杰东，李卷利，等. 湿化学法回收污泥水热炭中磷的潜能研究［J］. 化工学报，2021，72（11）：5779-5789. doi:10.11949/0438-1157.20210835
	XU Jin， ZHU Jiedong， LI Juanli，et al. Potential of phosphorus recovery from sludge-based hydrochar by wet chemical method［J］. CIESC Journal，2021，72（11）：5779-5789. doi:10.11949/0438-1157.20210835
18	张萍，许强，钱清华. 海水为镁源的鸟粪石结晶法回收氮磷的研究［J］. 连云港职业技术学院学报，2020，33（1）：13-16. doi:10.3969/j.issn.1009-4318.2020.01.005
	ZHANG Ping， XU Qiang， QIAN Qinghua. Recovery of nitrogen and phosphorus through struvite crystallization using seawater as magnesium source［J］. Journal of Lianyungang Technical College，2020，33（1）：13-16. doi:10.3969/j.issn.1009-4318.2020.01.005
19	张赛辉，林晓敏，冉启洋，等. 基于MAP沉淀法的黑水中氮、磷元素回收技术［J］. 中南林业科技大学学报，2021，41（12）：138-145.
	ZHANG Saihui， LIN Xiaomin， RAN Qiyang，et al. The Recycling technology of nitrogen and phosphorus in black water by MAP precipitation［J］. Journal of Central South University of Forestry & Technology，2021，41（12）：138-145.
20	黄颖. 重金属对鸟粪石法回收的沉淀物的组成和晶形的影响［J］. 化学工程与装备，2008（3）：21-25. doi:10.3969/j.issn.1003-0735.2008.03.005
	HUANG Ying. The effect of the heavy metal on composition/crystal shape of precipitate that recovery from wastewater by struvite［J］. Chemical Engineering & Equipment，2008（3）：21-25. doi:10.3969/j.issn.1003-0735.2008.03.005
21	GB/T 18877—2020 有机无机复混肥料［J］.
	GB/T 18877—2020 Organic inorganic compound fertilizer［J］.

[1]	刘飞飞, 武彦巍, 王文涛, 唐彤, 马海龙. 膜技术与蒸发结晶工艺在VB₁₂高盐废水零排放中的应用[J]. 工业水处理, 2025, 45(3): 219-226.
[2]	谭东东, 聂光华, 邓强. 预氧化酸性矿山废水制备硫酸亚铁镁[J]. 工业水处理, 2025, 45(1): 146-152.
[3]	薛罡, 刘建奇, 强志斌, 王永刚, 郭尧, 陈红. 煤矿矿井水处理和资源化利用的关键问题及对策[J]. 工业水处理, 2025, 45(1): 1-8.
[4]	师雅琪, 孟广源, 陈鹏, 张芯婉, 付涛, 杨正武, 张连胜, 张乐华. 基于神经网络精准预测含铬废酸电氧化再生效果[J]. 工业水处理, 2025, 45(1): 131-138.
[5]	齐震, 刘汝鹏, 徐林煦, 房金峰, 朱炜臣, 樊浩宇, 乔一木. 诱导结晶法回收磷的影响因素及应用研究进展[J]. 工业水处理, 2024, 44(9): 41-49.
[6]	刘畅益, 田佳旺, 张浩东, 秦哲. 改性芦苇材料的吸附脱氮性能及其资源化探究[J]. 工业水处理, 2024, 44(8): 122-132.
[7]	杨术刚, 王庆吉, 张坤峰, 陈宏坤, 刘双星, 蔡明玉, 王毅霖. 我国气田采出水处置面临的关键挑战与对策建议[J]. 工业水处理, 2024, 44(8): 13-20.
[8]	孙采蕊, 欧阳铸, 曹露, 胡莹, 黄海明, 王炳乾, 龙柯桦, 陶乐瑶. 鸟粪石结晶法回收电镀废水中氮磷试验研究[J]. 工业水处理, 2024, 44(4): 113-119.
[9]	晋银佳, 王绍曾, 郭栋, 尤良洲, 衡世权. 基于双极膜电渗析的矿井浓盐水资源化处理工艺研究[J]. 工业水处理, 2024, 44(3): 104-111.
[10]	李沛, 万俊锋, 马逸飞, 黄陈明慧, 吴波. 好氧颗粒污泥资源化中类藻酸盐胞外多糖研究进展[J]. 工业水处理, 2024, 44(3): 30-36.
[11]	李福勤, 王世奕, 梁桢, 王瑾. 扩散渗析-纳滤分离工艺资源化钢铁酸性脱硫废水的研究[J]. 工业水处理, 2024, 44(11): 74-81.
[12]	张亚斌, 党腾飞, 李志国, 郭笑盈, 郭琼, 王岩, 万俊锋. 菌藻共生技术在畜禽养殖沼液资源化治理领域的研究进展[J]. 工业水处理, 2024, 44(10): 32-39.
[13]	孙旭, 谢彤, 张超杰, 张亚雷, 周雪飞. 光合微生物在畜禽养殖废水资源化处理中的研究进展[J]. 工业水处理, 2024, 44(10): 40-51.
[14]	李轶霄, 郑天龙, 杨晓霞, 李鹏宇, 王紫轩, 王娟, 曹英楠, 刘建国, 刘俊新. 西北地区农村生活污水排放标准对比及分析[J]. 工业水处理, 2024, 44(1): 13-21.
[15]	胡景泽, 王庆吉, 甘霖, 谢加才, 王毅霖. 石油石化含盐有机废水脱盐处理技术及资源化研究进展[J]. 工业水处理, 2024, 44(1): 32-43.

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