Water Research: 荷兰Korving团队 蓝铁矿作为消化污泥中主要的磷酸盐矿物以及其对磷回收的作用

丨文章亮点 丨

? 蓝铁矿在所有投加铁除磷的污水厂中检出

? 消化污泥中铁含量越多蓝铁矿中结合的磷酸根越多（结合率可高达70-90%）

?eSEM-EDX 表明蓝铁矿颗粒以游离颗粒的形式存在

? 污泥中游离的顺磁性蓝铁矿颗粒可以从污泥中分离，例如用磁性分离器

? 蓝铁矿是一个磷回收新技术的起点

丨文章简介丨

        未来，磷资源须以可持续的方式进行利用，包括从可再生资源中进行回收。污水污泥就是一种富含磷的可再生资源。然而，现有的磷回收技术在回收效率、应用性方面存在诸多缺陷。污泥的农业应用是一种回用污泥中营养成分的简易途径，但该途径受限于运输条件并存在污染物入田的忧虑。从污泥焚烧的灰分中回收磷资源有较高的回收效率，但焚化高昂的价格成本有待降低，才能使污泥焚烧技术全面普及。虽然以鸟粪石为产物的磷回收技术被学界广泛认可，但其实际回收效率相对较低（约10%-50%）。因此，研究低成本、高效率的污泥磷回收新技术仍有广阔的市场。

含有磷酸铁盐的蓝铁矿（Fe ₂ (PO ₄ ) ₃ × 8H ₂ O ）主要是厌氧系统在处于含硫化物较少且铁和磷酸根较多的情况下产生。这种水质条件存在于市政污水厂中，特别是在污泥消化阶段,很多研究者发现了蓝铁矿的存在迹象。然而，很少有研究对蓝铁矿的产生进行量化。

我们的最新研究假设，蓝铁矿中结合的磷酸根量与消化污泥中的铁磷比（Fe:P）可能呈正相关。在正常条件下的厌氧消化反应器中，蓝铁矿在热力学上可能是污泥中最稳定的磷酸盐形态。而且蓝铁矿的生成速率能够很快：大量的蓝铁矿在采用化粪池污水作为反应物的实验中，随着铁离子的减少可在48小时内快速生成。蓝铁矿更可以直接在中性pH的溶液环境下形成结晶。如果能够从污泥中分离出蓝铁矿，理论上是能够获得比鸟粪石回收途径更高的磷回收效率。更多研究表明，大量的蓝铁矿在剩余污泥厌氧消化阶段之前就已经生成。此外，污水处理设施的管道中也屡次发现蓝铁矿结晶生成。然而，相关文献鲜有报道在污泥厌氧消化前后阶段，污泥中蓝铁矿的大小、纯度、组分和磷酸根结合到蓝铁矿中的百分比，以及蓝铁矿生成的机理。

在本研究中，我们从欧洲几家含有不同铁磷比（Fe:P）的大型市政污水厂和投加二价铁盐Fe(II)或三价铁盐Fe(III)的污水厂中进行污泥样品的取样和分析，旨在对以下两种假设进行验证：1）磷酸根被结合到蓝铁矿中是由于污泥中的固定的铁磷比（Fe:P）的存在；2）即使在有大量三价铁Fe(III)投加的情况下，厌氧消化阶段前的剩余污泥中已有大量蓝铁矿生成。本研究证明了在消化污泥中蓝铁矿（Fe ₂ (PO ₄ ) ₃ × 8H ₂ O ）的存在，以及蓝铁矿可以作为污泥中磷酸盐主要的存在形态。因此，我们建议蓝铁矿可以作为磷回收的一种重要选择。M?ssbauer spectroscopy的结果表明，在厌氧消化前的剩余污泥中，超过50%的铁离子是亚铁离子。XRD和M?ssbauer spectroscopy结果显示，剩余污泥中被蓝铁矿结合的磷酸根量与铁含量没有明确的相关性。在消化污泥中，超过85%的铁以亚铁离子形式存在。在消化污泥中，被蓝铁矿结合的磷酸根会随着铁含量的增加而增加，并逐渐趋于平稳。其中，污泥中的磷酸根在最高的铁含量（Fe:P=2.5）的条件下有70%-90%能够被结合生成蓝铁矿。eSEM-EDX分析表明蓝铁矿以游离颗粒的形式存在，即理论上可将其从污泥中分离，并且与鸟粪石回收途径相比具有更高的回收率。因此，非常有必要获取更多有关在污泥中蓝铁矿生成的信息（密度、杂质含量、粒径分布、自由蓝铁矿颗粒的百分比），这将使其形成更大的晶体以助于能够更好的分离。未来，我们应当着手研究影响生成蓝铁矿形状、大小和杂质含量的变量。

图1、不同Fe:P下，蓝铁矿结合的总磷量-来自原文

图2、eSEM-EDX观察到的游离蓝铁矿颗粒-来自原文

※原文信息：