低磷濃度下鳥糞石結晶成粒及反應器流態模擬

楊 露,平 倩,李詠梅(同濟大學環境科學與工程學院,污染控制與資源化研究國家重點實驗室,上海 200092)

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低磷濃度下鳥糞石結晶成粒及反應器流態模擬

楊 露,平 倩,李詠梅*(同濟大學環境科學與工程學院,污染控制與資源化研究國家重點實驗室,上海 200092)

摘要：為擴大鳥糞石(MAP)結晶成粒技術的應用范圍,對低磷濃度下MAP成粒最優條件進行了研究.試驗得出該技術應用的磷濃度應大于50mg/L,并在此基礎上研究得到低磷濃度條件下MAP結晶成粒的最佳條件:pH 9.0,磷氮物質的量比 1:8.此時生成的MAP平均粒徑為0.56mm,總體積生長率為4.95c m3/h,純度可達99.9%.為進一步優化流化床反應器中MAP成粒條件,利用CFD商用軟件(Fluent 6.3)對反應器流態進行了模擬.結果表明:MAP流化床反應器的生長區能夠形成明顯的自下而上的水力分級,截面流速也較為均勻,有利于顆粒的生成,但沉淀區和進水區存在死區、渦流等不利條件.因此,有必要改進生長區和沉淀區的連接方式以及進水管的分布,以獲得更為優質的MAP顆粒.關鍵詞：鳥糞石成粒；低磷濃度；最佳條件；顆粒品質；CFD流態模擬

* 責任作者, 教授, liyongmei@tongji.edu.cn

磷是一種不可更新、難以替代與再生的資源.而如今,全球范圍內普遍存在著陸地磷礦產資源日益匱乏與水環境中磷含量過高而導致水體富營養化這一矛盾,推動著以“回收磷”代替“去除磷”理念的快速傳播以及研發技術的實際應用[1-3].

磷酸銨鎂(MgNH4PO4?6H2O,MAP,俗稱鳥糞石)結晶法磷回收技術因其具有氮磷去除率高、反應速率快、工藝操作簡單、經濟效益好等優點成為國內外的研究熱點[4-5].Yoshino等[6]采用鳥糞石結晶法對厭氧消化上清液中的磷進行回收時,回收率約為92%;李詠梅等[7]以MAP顆粒形式從污泥脫水液中回收氮磷,磷回收率可達90.5%.雖然國內外MAP結晶成粒技術的研究較多,但多數集中在對高氨氮、高磷濃度污水的研究上,而當原污水磷濃度較低時,生成的MAP多為粉末狀,顆粒細小,導致其難以從水中分離,易隨出水流失,不利于MAP的收集與再利用[8].在污泥濃縮上清液、未經消化的污泥脫水液中,磷濃度較低,往往小于100mg/L.因此,有必要針對100mg/L以下的低磷溶液開展研究.另外,目前的研究中,鳥糞石結晶成粒反應器流態對MAP形成的影響鮮有報道.Rahaman等[9]模擬了簡化后的鳥糞石結晶流化床反應器,了解其流體動力學以及MAP晶體的混合行為,但模擬的反應器為簡單的圓柱形,對錐形漸變反應器尚未進行研究.

鑒于上述原因,本試驗研究了低磷濃度條件下形成MAP顆粒的最佳工況,旨在擴大MAP結晶成粒技術的應用范圍,并進一步利用CFD流體力學軟件模擬研究本課題組開發的錐形漸變式流化床反應器流態對MAP成粒的影響,以期為優化反應器設計和促進此技術的實際應用提供技術支撐和理論基礎.

1　材料與方法

1.1 試驗水質

本研究采用模擬污泥脫水液進行試驗,以準確地確定低磷濃度下MAP成粒最佳條件.模擬污泥脫水液采用自來水配制,PO43--P質量濃度為30～110mg/L,NH4+-N質量濃度為113～ 181mg/L,外加Mg2+質量濃度25.7～93.8mg/L,外加堿液物質的量濃度0.25mol/L.試驗分別采用磷酸氫二鈉(Na2HPO4?12H2O),氯化銨(NH4Cl)和六水合氯化鎂(MgCl2?6H2O)為磷、氮和鎂源,氫氧化鈉溶液為外加堿液.

1.2 試驗裝置及運行

試驗裝置為流化床結晶成粒反應器(圖1),主要包括漸變式流化床主反應器、沉淀池、pH值監測系統和自動加藥系統4部分.流化床主反應器由沉淀區、生長區、收集區和進水區組成,總體積為5.80L[10].模擬污泥脫水液在進水區與外加鎂液迅速混合,繼而與反應器內MAP晶種接觸反應.當晶體粒徑增大后,可以克服上升水流的作用落入反應器底部.反應器每周期連續運行4d,每隔24h取進水、流化床出水和沉淀池出水,測定NH4+-N、PO43--P、Mg2+等的濃度,并在反應周期結束后,從收集區取出MAP顆粒進行顆粒品質分析.

試驗主要研究了低磷濃度下MAP的形成情況,并通過探究磷氮物質的量比、pH值和反應器流態優化低磷濃度下的MAP結晶成粒條件.初始運行工況為前期試驗得出的最優工況[7]:進水流量140mL/min,水力停留時間HRT 41min,上升流速400cm/min,顆粒培養時間4d,離子物質的量比為PO43-:NH4+:Mg2+=1:6:1.1,pH值為8.2.在每周期運行開始時投加150g MAP晶種[平均粒徑(220±30μm)],以提高MAP結晶速率[11].

圖1　MAP流化床結晶成粒反應器系統Fig.1　Schematic diagram of the bench-scale struvite pellet crystallization reactor

1.3 水質分析方法及MAP顆粒品質表征方法

NH4+-N采用納氏試劑分光光度法測定(UV-754),PO43--P采用鉬銻抗分光光度法測定(UV-754),Mg2+、Ca2+等金屬離子采用電感耦合等離子發射光譜儀(Agilent-ICP-720ES)測定.

晶體總體積生長速率為4d內顆粒體積差與時間的比值.MAP平均粒徑[7]計算如下:將顆粒采用不同目數的篩子逐級篩取,稱量不同粒徑區間內的MAP質量,平均粒徑計算如式(1)所示:

式中:ai、bi分別為粒徑區間邊界值;wi為此區間顆粒質量百分比.

MAP純度計算公式[12]如下:

式中:μMAP為MAP純度;nN為NH4+-N摩爾數;MMAP為MAP摩爾質量;mc為MAP質量.

利用PHREEQC軟件對鳥糞石共沉淀物進行模擬分析,并利用掃描電子顯微鏡(SEM,型號PHLIPS-XL30)和X射線能量散射譜分析儀(EDX,型號PHLIPS-FD-1C-80)對MAP顆粒進行形態分析.

1.4 反應器建模及模擬條件設定

1.4.1 幾何建模及網格劃分 利用Gambit 2.4 對MAP流化床主反應器進行二維幾何建模及網格劃分(圖2).進水區、收集區及沉淀區的網格類型及劃分方法為四邊形結構性網格,而生長區由于其幾何形狀的不規則性,網格類型及劃分方法為三角形非結構性網格.經過網格獨立性檢驗,確定網格數量為34024個,節點數量為26203個.網格單元長寬比(Aspect Ratio:4)、通過單元夾角計算的歪斜度(EquiAngle Skew:0.35)、通過單元邊重點連線夾角計算的歪斜度(MidAngle Skew: 0.01)均顯示此網格具有較好的網格質量[13],可以保證后續模擬精度的需要.

1.4.2 模擬條件設定 利用Fluent 6.3對實驗工況進行模擬.經計算可知進水區雷諾數Re為 3732.1,屬于過渡區(2300

圖2　MAP流化床主反應器幾何建模及網格劃分Fig.2　Geometry based modeling and meshing of the fluidized bed crystallizera:反應器;b:沉淀區;c:生長區;d:收集區;e:進水區

表1　單相流模擬條件設定Table 1　Model settings of single-phase flow

表2　固液兩相流模擬條件設定Table 2　Model settings of solid-liquid two phase flow

2　結果與討論

2.1 低磷濃度條件下MAP成粒最佳條件

圖3　不同磷濃度條件下PO43--P的去除Fig.3　The removal of PO43--P at different phosphorus concentrations

2.1.1 磷濃度的影響 不同磷濃度下的氮磷去除情況如圖3所示.隨著進水磷濃度的提高, PO43--P的去除率明顯提高,反應器出水PO43--P保持在24.33mg/L左右.表3的數據表明,隨著磷濃度的升高,MAP的平均粒徑、顆粒生長速率和晶體總體積生長速率都增加了,這是因為隨著磷濃度的升高,進水氨氮和鎂離子的濃度也相應增加,使得反應器內溶液的過飽和度提高,使MAP生成的推動力增大,生長速率加快,因此,磷去除率、鳥糞石平均粒徑都有所增加[15].當磷濃度為30mg/L,各離子去除率較低,鳥糞石的生長速率非常緩慢,總體積生長速率為1.22cm3/h,粒徑生長速率僅為0.02mm/d;而當磷濃度為50mg/L時,可以獲得平均粒徑為0.5mm的顆粒,且MAP純度較高,為98.7%(表3).因此,要獲得較高的離子去除率及優質的MAP顆粒,進水磷濃度應高于50mg/L.

表3 不同磷濃度條件下MAP顆粒生長情況

Tab.3 Growth of MAP at different phosphorus concentrations

PO43--P (mg/L)平均粒徑(mm)顆粒生長速率(mm/d)晶體總體積生長速率(cm3/h)純度(%) 30 　0.27 　0.02 　1.22 　98.6 50 　0.47 　0.07 　3.16 　98.7 70 　0.63 　0.11 　5.50 　97.1 90 　0.74 　0.14 　8.65 　99.6 110 　0.88 　0.17 　13.88 　96.9

2.1.2 磷氮物質的量比的影響 在低磷濃度(50mg/L)條件下,PO43--P的去除率隨著磷氮物質的量比的減小而升高(圖4).表4的數據表明,隨著磷氮物質的量比的提高,MAP的平均粒徑、顆粒生長速率和晶體總體積生長速率均有所增大,由MAP生成反應方程式可知,氨氮濃度的升高有利于反應向正方向進行,從而提高磷的去除率.氨氮濃度的升高,也使得溶液過飽和度增加,反應推動力增大,MAP的生長速率和平均粒徑都有增大的趨勢.此外,由于在MAP結晶反應過程中,溶液的pH值會逐漸降低,因此需要向反應體系中不斷補充堿液以維持偏堿性環境,而過量的NH4+可能起到了穩定溶液pH值和增加溶液緩沖能力的作用,從而有利于MAP的生成[16-17].當磷氮物質的量比為1:4時,晶體的總體積生長速率為0.5cm3/h,當磷氮物質的量比為1:8時,其值可達到1.96cm3/h.且MAP粒徑為0.425mm,純度為97.9%(表4).綜合考慮離子去除率及MAP的品質特征,選擇P/N物質的量比為1:8為最佳條件.

圖4　不同磷氮物質的量比條件下各離子去除率Fig.4　The removal efficiencies of PO43--P,NH4+-N and Mg2+at different P/N molar ratios

表4　不同磷氮物質的量比條件下MAP顆粒生長情況Table 4　Growth of MAP at different P/N molar ratios

2.1.3 pH的影響 隨著pH值的升高,PO43--P 和Mg2+的去除率均有所提高(圖5).pH值會影響MAP中3種構晶離子(NH4+、PO43-和Mg2+)的存在形式,進而影響過飽和度.當溶液中的pH值較低時,磷酸根以酸式鹽的形式存在;當pH值過高時,溶液中的NH4+會轉變為氨氣[18].當pH值為8.2～9.0時,隨著pH值的升高,溶液過飽和度增加,有利于MAP的生成,從而提高離子去除率[19];pH值為9.0～9.8時,溶液處于極度過飽和狀態,pH值的增加對各離子去除率無明顯提高作用,但能較大程度地促進晶體總體積生長速率的提高(表5). 當pH值為9.0時,各離子去除率及晶體平均粒徑(0.56mm)和總體積生長率(4.95cm3/h)均較大,因此,選擇pH=9.0為低磷濃度下(50mg/L)MAP結晶成粒的最佳條件.

圖5　不同pH值條件下各離子去除率Fig.5　The removal efficiencies of PO43--P, NH4+-N and Mg2+at different pHs

表5　不同pH值條件下MAP顆粒生長情況Table 5　Growth of MAP at different pHs

2.2 MAP顆粒品質表征

2.2.1 PHREEQC軟件模擬共沉淀物 試驗測得不同條件下生成的MAP純度較高,都大于97.2%,折算成P2O5標準量為50.3%,可認為是富磷礦[20].隨著磷氮物質的量比的增加,MAP的純度基本穩定在99%左右,利用PHREEQC模擬來看,生成雜質沉淀:Mg(OH)2、無定形磷酸鈣(Ca3(PO4)2?xH2O,ACP)、CaMg(CO3)2、CaCO3等沉淀產物的潛能基本不變.但隨著pH值的升高,純度有先上升后下降的趨勢,從PHREEQC軟件模擬結果來看(圖6),高pH值條件下,生成Mg(OH)2、ACP、CaMg(CO3)2、CaCO3的潛能均有所增加,而生成MAP的潛能在pH值為9.0之后有所下降,這也與試驗所得的結果相符.王建森等[21]對磷濃度為100mg/L時生成MAP的模擬研究也得到過相似的結果.

2.2.2 晶體形貌特征 選取不同pH值條件下粒徑相似的MAP顆粒拍攝掃描電鏡(SEM),結果如圖7所示.從圖中可以看到MAP屬斜方晶系,晶型成短柱狀,與Le Corre等[22]報道的結果一致.隨著反應pH值的升高,短柱狀晶體變得細小且不規則,晶體排列變得不規律.當反應pH值為9.8 時,晶體排列雜亂無章,這也可能與其生成了除MAP之外的其他物質有關.試驗表明,在最優條件(pH=9.0)下,MAP顆粒內晶體排列規則,是較為優質的鳥糞石沉淀產物.但是,低磷濃度下生成的MAP顆粒仍不夠密實,需要通過其他方式如優化反應器結構等方面繼續提高鳥糞石品質.

圖6　PHREEQC軟件模擬結果Fig.6　Simulation results of PHREEQC

圖7　不同pH值條件下MAP的SEM圖Fig.7　SEM images of the MAP at different pHs

圖8　最佳條件下(pH =9.0,磷氮物質的量比=1:8)MAP顆粒的EDX圖Fig.8　EDX images of MAP under the optimal conditions (pH=9.0, P/N molar ratios=1:8)

表6　EDX定量分析表Table 6　Quantitative analysis of MAP by EDX

2.2.3 MAP顆粒的元素分析 對最佳條件下(pH =9.0,磷氮物質的量比=1:8)形成的MAP顆粒進行EDX分析,其譜圖如圖8所示:MAP顆粒中存在Ca、Mg、O、P、C等元素.由于試驗采用自來水配水,而自來水中Ca2+的濃度較高,經ICP檢測得平均Ca2+濃度為40mg/L,因此EDX能譜中含有Ca元素.此外,由于試驗采用外加NaOH的方法維持反應器的pH值,而NaOH溶液放置一段時間后會與空氣中的CO2結合,生成Na2CO3,CO32-會隨著堿液的加入而進入流化床反應器中,同時,儀器測量時含有碳元素的導電紙,也會激發出C的X線.EDX中元素的定量分析結果如表6所示:鎂磷摩爾比為1.28,說明除MAP 外,還存在其他鎂鹽雜質,如Mg(OH)2等;而少量Ca元素的存在說明MAP顆粒中會含有少量的鈣鹽雜質,如自來水中的Ca2+可與PO43-結合形成無定型磷酸鈣(Ca3(PO4)2?xH2O,ACP)[23],流化床反應器中存在的少量CO32-也會與Ca2+生成CaCO3沉淀.EDX元素分析結果也與PHREEQC軟件模擬共沉淀物結果一致.

2.3 MAP反應器流態模擬

圖9　MAP流化床主反應器液相流速分布(m/s)Fig.9　Velocity magnitude of liquid phase in the fluidized bed crystallizer (m/s)a:反應器;b:沉淀區;c:生長區;d:進水區;e:進水區上部流速矢量圖;f:進水區中部流速矢量圖;g:進水區下部流速矢量圖

MAP流化床主反應器的液相流速分布圖顯示(圖9),反應器進水區流態比較復雜,隨著高度的增加,流態趨于穩定,且生長區能夠形成明顯的自下而上的水力分級,截面流速也較為均勻,與理論上流化床的特點相符[24],有利于反應的進行以及顆粒的生成.但反應器沉淀區下部存在死區,較大范圍流速均為0m/s,這大大減少了反應器的有效利用空間.由于含氮、磷廢水進水口、鎂溶液進水口以及回流口位置的原因,在進水區的下部、中部及上部分別存在一處渦流,此渦流的存在會增加能量的損耗和晶體間額外的摩擦,降低整體的水力效率[25].其中,進水區下部和中部的渦流最強,可能的原因是回流流量較大(回流比為7.58:1),在進口處集中進入反應器,產生了較強的水力沖擊.因此可以考慮改善進水管分布,盡可能降低渦流的產生.MAP流化床主反應器的固相體積分數分布圖(圖10)能夠進一步顯示反應器進水區存在明顯渦流現象,而生長區的顆粒分布均勻,有利于顆粒與液體的充分接觸從而生成顆粒.但反應器的沉淀區下部較大范圍內存在顆粒沉積的現象,造成死區,此部分顆粒的生長會受到極大的限制.沿著反應器高度的中心流速分布(圖11)顯示:進水區流速混亂、無規則;而隨著高度的增大,中心流速在收集區有略微升高的趨勢;在生長區和沉淀區則逐步減小.最大中心流速在收集區和生長區交界處,為0.249m/s.這是由于連續進水時,收集區水流的動能仍然較大,使得收集區的流速增大;而隨著生長區直徑的增大,使得其流速有明顯下降的趨勢.

圖10　MAP流化床主反應器固相體積分數分布圖(a:反應器;b:沉淀區;c:生長區;d:進水區)Fig.10　Volume fraction of solid phase in the fluidized bed crystallizer(a:the crystallizer;b:settling zone;c:growing zone;d:influent zone)

圖11　沿著反應器高度的中心流速分布Fig.11　Central velocity magnitude along the height of crystallizer

從反應器不同高度處截面流速(圖12)可以看出,隨著反應器高度(Y)的增加,整個截面上的流速越均勻,也越接近活塞式流動[26].當Y=0.50m(收集區中部)時,截面流速分布均勻,最高流速為0.246m/s,平均流速為0.202m/s.此時,X軸方向流速幾乎為0m/s.由此可知:在反應器的生長區(Y=0.06～Y=0.14),水流以活塞式流動,流速分布均勻,能夠形成明顯的自下而上的水力分級,有利于MAP的生成及生長.

綜上所述,流化床反應器生長區的錐形漸變形式非常有利于鳥糞石的生長,而沉淀區下部存在死區,廢水進口處存在渦流,大大減少了反應器的有效利用空間.因此,可以考慮在生長區和沉淀區的連接處設置錐形漸變接口,代替原來的垂直連接,以形成良好的水力過渡.另外,可設置兩處回流進口,將流量較大的回流水均勻分布在進水區兩側進入反應器,以減少渦流的產生,提高整體空間利用效率.

圖12　反應器不同高度處截面流速Fig.12　Velocity magnitude in the cross-section at different height of the crystallizer

3　結論

3.1 采用流化床結晶成粒反應器,當磷濃度低于50mg/L時,磷、氮去除率較低,MAP的生長速率非常緩慢,不利于以鳥糞石結晶形式回收磷.

3.2 低磷濃度條件下MAP結晶成粒的最佳條件:pH值為9.0,磷氮物質的量比為1:8.此時生成的MAP平均粒徑為0. 56mm,總體積生長率為4.95cm3/h,純度可達99.9%,但低磷濃度下生成的MAP顆粒不夠密實.

3.3 當pH值大于9.0時,生成的顆粒物純度有所降低,通過PHREEQC軟件模擬和EDX分析表明生成了Mg(OH)2、ACP等物質.

3.4 利用CFD商用軟件(Fluent 6.3)進行流態模擬發現:本試驗采用的MAP流化床反應器,在生長區能夠形成明顯的自下而上的水力分級,截面流速也較為均勻,呈活塞式向上流動,與理論上流化床的特點相符,有利于反應的進行以及顆粒的生成.但反應器沉淀區存在死區,減少了反應器的有效利用空間,且進水區存在的三處渦流會增加能量的損耗和晶體間額外的摩擦,降低整體的水力效率.因此,有必要改進生長區和沉淀區的連接方式以及進水管的分布,以獲得更為優質的MAP顆粒.

參考文獻：

[1] 郝曉地,衣蘭凱,王崇臣,等.磷回收技術的研發現狀及發展趨勢[J]. 環境科學學報, 2010,30(5):897-907.

[2] 沈 巍.中國磷資源開發利用的現狀分析與可持續發展建議[J]. 經濟研究導刊, 2012,(5):83-84.

[3] 劉建雄.我國磷礦資源開發利用趨勢分析與展望 [J]. 磷肥與復肥, 2009,(2):1-4.

[4] Haiming H, Yang J, Li D. Recovery and removal of ammonianitrogen and phosphate from swine wastewater by internal recycling of struvite chlorination product [J]. Bioresource Technology, 2014,172:253-259.

[5] Kemacheevakul P, Pplprasert C, Shimizu Y. Phosphorus recovery from human urine and anaerobically treated wastewater through pH adjustment and chemical precipitation [J]. Environmental Technology, 2011,32(7):693-698.

[6] Yoshino M, Yao M, Tsuno H, et al. Removal and recovery of phosphate and ammonium as struvite from supernatant in anaerobic digestion [J]. Water Science and Technology, 2003, 48(1):171-178.

[7] 李詠梅,平 倩,馬璐艷.鳥糞石成粒法回收污泥液中的磷及顆粒品質表征 [J]. 同濟大學學報, 2014,42(6):912-917.

[8] Moussa S B, Tlili M M, Batis N, et al. Influence of tempereature on struvite precipitation by C O2-degassing method [J]. Crystal Research and Technology, 2011,46(3):255-160.

[9] Rahaman M S, Mavinic D S. Recovering nutrients from wastewater treatment plants through struvite crystallization: CFD modeling of the hydrodynamics of UBC MAP fluidized-bed crystallizer [J]. Water Science and Technology, 2009,59(10): 1887-1892.

[10] Li Y M, Liu M Y, Yuan Z W, et al. Struvite pellet crystallization in a high-strength nitrogen and phosphorus stream [J]. Water Science and Technology, 2013,68(6):1300-1305.

[11] Hao X D, Wang C C, van Loosdrecht M C M, et al. Looking beyond struvite for P-recovery [J]. Environment & Science & Technology, 2013,47(10):4965-4966.

[12] Hao X D, Wang C C, Lan L, et al. Struvite formation, analytical methods and effects of pH and Ca2+[J]. Water Science and Technology, 2008,58(8):1687-1692.

[13] slzcao.網格劃分策略與網格質量檢查 [DB/OL].[2012-04-23.]. http://wenku.baidu.com/view/4f80458702d276a200292ebc.html? review.

[14] mplayboy.Fluent湍流模型選取的準則[DB/OL].[2012-04-17.]. http://wenku.baidu.com/view/a4adbb48852458fb770b567a.html.

[15] Adnan A, Mavinic D S, Koch F A. Pilot-scale study of phosphorus recovery through struvite crystallization-examining the process feasibility [J]. Journal of Environmental Engineering and Science, 2003,2(5):315-324.

[16] Korchef A, Saidou H. Phosphate recovery through struvite precipitation by CO2removal: Effect of magnesium, phosphate and ammonium concentrations [J]. Journal of HazardousMaterials, 2011,186(1):602-613.

[17] 姚 濤,蔡偉民,李龍海.磷酸銨鎂法處理含氮磷廢水的研究進展 [J]. 中國給水排水, 2005,21(2):31-33.

[18] 勒德智,程麗華,畢學軍,等.鳥糞石沉淀法回收廢水中磷的研究及應用進展 [J]. 青島理工大學學報, 2011,1(32):58-62.

[19] Chia-Chi S., Ralf R M., Abarca., et al. Phosphate recovery from fluidized-bed wastewater by struvite crystallization technology [J]. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers, 2014,45:2395-2402.

[20] 王詩生,李德鵬,盛廣宏,等.鳥糞石沉淀法污泥中磷回收研究進展 [J]. 安徽工業大學學報, 2012,29(1):33-37.

[21] 王建森,宋永會,袁 鵬,等.基于PHREEQC程序的磷酸銨鎂結晶法污水處理工藝模型化研究 [J]. 環境科學學報, 2006,26(2): 208-213.

[22] Le Corre K S, Valsami-Jones E, Hobbs P, et al. Struvite crystallisation and recovery using a stainless steel structure as a seed material [J]. Water Research, 2007,41(11):2449-2456.

[23] Huchzermeier M P, Tao W D. Overcoming challenges to struvite recovery from anaerobically digested dairy manure [J]. Water Environment Research, 2012,84(1):34-41.

[24] Rahaman M S, Mavinic D S. Recovering nutrients from wastewater treatment plants through struvite crystallization: CFD modeling of the hydrodynamics of UBC MAP fluidized-bed crystallizer [J]. Water Science & Technology, 2009,59(10):1887-1892.

[25] Roch P, Piotr S, Janusz W, et al. Suspension flow in crystallizers with and without hydraulic classification [J]. Chemical Engineering Research and Design, 2010,88:1194-1199.

[26] Mohsen A, Janusz W, Roch P, et al. Multiphase CFD modeling: Fluid dynamics aspects in scale-up of a fluidized-bed crystallizer [J]. Chemical Engineering and Processing, 2013,63:7-15.

Struvite pellet crystallization at low phosphorus concentration and fluidization simulation of the reactor.

YANG Lu, PING Qian, LI Yong-mei*(State Key Laboratory of Pollution Control and Resources Reuse, College of Environmental Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China). China Environmental Science, 2016,36(4)：1017～1026

Abstract：In order to expand the application field of struvite (MAP) pellet crystallization technology, the optimal conditions for struvite pellet formation at low phosphorus concentrations were investigated. Results show that the phosphorus concentration over 50mg/L would be better for application of this technology. The optimal conditions for struvite pellet formation were as follows: pH = 9.0 and phosphorus to nitrogen molar ratio = 1:8. Under the conditions, the average size of harvested struvite particle reached 0.56mm, the volume growth rate was 4.95cm3/h and the struvite purity reached 99.9%. In order to further optimize MAP formation in the fluidized bed reactor, CFD software (Fluent 6.3) was used to simulate the flow fed to the reactor. It turned out that the bottom-up hydraulic classification was formed obviously in the growing zone of the crystallizer. Velocity in the cross-section was relatively uniform, which is beneficial to struvite formation. But some adverse conditions such as dead zone, vortexes and circulation loops were also present in the settling and influent zones. Therefore, it is necessary to improve the connection between the growing zone and settling zone as well as the distribution of inlet pipes to obtain high-quality MAP pellets.

Key words：struvite pellet crystallization；low-phosphorus concentration；optional conditions；pellet quality；CFD simulation

作者簡介：楊 露(1990-),女,浙江寧波人.同濟大學環境科學與工程學院碩士研究生,主要從事污水處理與資源化方面的研究.

基金項目：國家“863”計劃項目(2011AA060902)

收稿日期：2015-07-30

中圖分類號：X703

文獻標識碼：A

文章編號：1000-6923(2016)04-1017-10