污水处理厂中重要的磷铁沉淀物-蓝铁矿

摘要：

铁元素在现代污水处理中扮演着重要角色，其中之一是从污水中去除磷。然而，从含铁磷污泥中回收磷，而不进行焚烧，目前尚不具备经济可行性。如果加强对污泥中铁磷化合物的特性认识，有助于找到新的磷回收途径。对两座污水处理厂的剩余污泥和厌氧消化污泥进行了研究。这些厂要么完全依赖铁除磷，要么依靠生物除磷并辅以铁投加。Mossbauer谱学显示，在这两座厂的剩余污泥和厌氧消化污泥固体中，蓝铁矿和黄铁矿是主要的铁化合物。Mossbauer谱学和X射线衍射表明，蓝铁矿结合的磷占总磷的10%到30%（在主要依赖生物去除的工厂中），以及占总磷的40%到50%（在依赖基于铁的除磷的工厂中）。此外，Mossbauer谱学表明，尽管存在曝气处理阶段，并且除了Fe(II)外还有Fe(III)投加，但样品中没有一个含有显著量的Fe(III)（Table 1、2）。研究人员认为，在处理过程中，化学或微生物对Fe（Ⅲ）的还原作用相对较为迅速，这会引发蓝铁矿的形成。一旦蓝铁矿形成，由于氧化动力学的缓慢以及氧气在污泥絮体中扩散受限，它可能会持久存在于含氧处理区域（Fig 2）。这些结果表明，在铁投加适度的污水处理厂中，蓝铁矿是主要的铁磷化合物（Fig 3）。在进行除磷时投加铁的大多数工厂中，蓝铁矿是主要沉淀物，这可能为磷的回收提供新途径。    

引言：

磷（P）是所有生命所必需的元素。它通常是作物的限制性营养素，因此是肥料的重要组成部分。目前，磷的使用是不可持续的，其未来供应也不确定：（一）作为肥料主要来源的磷酸盐岩矿储量正在减少，（二）这些储层位于少数几个国家（三）对于当前的磷应用和储量，存在地区性的不平衡，（四）磷过剩导致表面水体中的富营养化。从次生资源中回收磷将有助于使其在社会中实现循环和更可持续的使用。

    污水是磷的重要次生来源。在污水处理厂（STPs）中，通常通过化学除磷（CPR）或强化生物除磷（EPBR）来去除磷，以减少表面水体中的富营养化。在这两种情况下，磷被浓缩在污泥中。铁（Fe）的加入对于CPR是高效、简单和廉价的。未来能源生产型污水处理厂依赖于化学P和化学需氧量（COD）去除。此外，铁在现代污水处理中通常也因其他原因而被应用，而不仅仅是CPR。三价铁（Fe(III)）和二价铁（Fe(II)）盐被用作絮凝剂，以去除COD，防止在下水道系统和消化罐中排放硫化氢（H2S），并改善污泥脱水。此外，地下水中也可能有铁的存在。因此，在大多数污水处理厂中，部分磷将与铁结合。经济可行地从含铁磷化合物（FeP）的污泥中回收磷，而无需污泥焚烧，仍然是一个尚未解决的技术挑战，这也是因为关于STP中FeP矿物学的信息很少。

    向污水中加入Fe(III)或Fe(II)后的初始反应以及随后去除磷的反应是复杂的。这些反应很重要，因为它们通过将磷从液相带到固相来促进污水中磷的去除。在污水处理厂中，污泥停留时间（SRT）在AB工艺的A阶段中是几个小时，但通常在应用传统活性污泥工艺时，其污泥停留时间为5到20天。在这些过程中，反应器内发生的氧化还原反应被用于实现COD和氮的去除。因此，一旦形成初始的FeP，由于Fe(II)的氧化或Fe(III)的还原以及老化效应，可能会发生变化。最有可能的是，最终进入剩余污泥并决定污水处理厂除磷效率的FeP与初始沉淀物不同。

    一些研究人员在剩余污泥和厌氧消化污泥中发现了二价铁磷酸盐矿物蓝铁矿（Fe(II)3[PO4]28H2O）。尽管能够使用Mossbauer光谱法定量测定污泥中的蓝铁矿，但该研究中的污泥样品暴露在空气中，可能导致Fe(II)化合物的完全/部分氧化，以及蓝铁矿部分转化为无定形FeP或其他磷分数的变化。此外，所有穆斯堡尔测量均在室温（300 K）下进行。复杂的样品最好也在较低的温度（例如4.2 K）下进行测量，以明确揭示Fe相的光谱贡献和磁性特性。

    对两个不同处理策略的污水处理厂（STPs）进行了研究，以确定Fe和FeP在处理过程中的去向。Leeuwarden污水处理厂应用强化生物除磷（EBPR）技术，此外，在两个不同的处理线中分别添加了Fe（II）或Fe（III）。Nieuwveer污水处理厂使用AB技术，在处理工艺中添加了Fe（II）。AB工艺与冷式厌氧氨氧化反应相结合，具有能够高效回收能源的潜力。

    识别活性污泥中FeP的形式将有助于获得热力学（例如平衡浓度）和化学计量学（摩尔Fe：P比）信息，这些信息对于开发从FeP中回收磷的技术是十分必要的。尽管在文献中可以找到一些关于污水处理过程中污泥中的磷主要以蓝铁矿形式形成的记录，但蓝铁矿的作用及其重要性一直被忽视，这就是进行本研究的原因。