鸟粪石在污水处理脱氮除磷过程中的应用

概述：鸟粪石（MgNH₄PO₄·6H₂O，简称MAP）是矿石的一种，属于优质缓释肥，自然界中的储量极少，主要产地为秘鲁和下加利福尼亚沿岸各岛屿，以及非洲大量聚居鸕鶿、鹈鹕和塘鹅的地区。它是一种难溶于水的白色晶体，常温下，在水中的溶度积仅为2.5×10^-13。

虽然鸟粪石在自然界中储量有限，但是在污水处理过程中，人们发现会生成鸟粪石晶体：当溶液中含有Mg²⁺，NH⁴⁺以及PO₄^3-，且离子浓度积大于溶度积常数时，会自发形成鸟粪石。随后鸟粪石结晶技术逐渐被应用于污水脱氮除磷技术领域，鸟粪石在污水中的形成机理如下：

鸟粪石晶体构型如图1所示：

图1 电镜下鸟粪石晶体构型

鸟粪石脱氮除磷工艺简介

鸟粪石反应器是MAP法的核心装置，根据结晶原理和水力特性设计而成，具有一般反应器的设计规格和运行参数，通过反应器结构的变化和操作条件的优化，实现氨氮和磷的去除。鸟粪石脱氮除磷反应器主要包括搅拌式反应器和流化床反应器两种。

1 搅拌式反应器

搅拌式反应器主要依靠机械搅拌或者空气搅拌（曝气），加速鸟粪石的反应、结晶过程，主要包括机械搅拌式反应器和空气搅拌式反应器。

2 流化床反应器

流化床反应器是通过流体是反应器内的固体颗粒成流化态，不仅能够搅拌溶液，还能够提供晶种，促进鸟粪石晶体形成，实现氨氮和磷的去除。

图2 典型流化床反应器示意图

如图2所示，流化床从下到上直径依次扩大，分为收集区、有效区、反应区和晶种漏斗，氯化镁和氢氧化钠从底部与原水、回流液混合，出水进入澄清池沉淀。Fattah 等人在加拿大Richmond 的不列颠哥伦比亚鲁鲁岛污水处理厂运行该反应器处理污泥消化滤液为期5个月，氨氮和磷的去除率分别为4%和90%，影响氨氮去除率的主要因素是N/P，结果表明超过85%的磷通过鸟粪石晶体形式得到回收。

3 鸟粪石工艺的主要影响因素

虽然，鸟粪石对于污水中的氮磷具有高效除去效果，而收集的鸟粪石亦可作为肥料回用。然而，鸟粪石脱氮除磷并未成为主流污水处理工艺，原因在于鸟粪石法的影响因素较多，具有一定的不确定性。影响因素包括：pH的影响、过饱和度的影响和反应时间的影响。

1、pH

pH是影响鸟粪石结晶成粒的最重要的因素之一，pH不仅影响鸟粪石在溶液中的溶解度，还可以通过影响溶液的过饱和状态进而影响鸟粪石的生成。在一定的pH范围内，鸟粪石在溶液中的溶解度随着pH的升高呈先降低后升高的趋势，实际应用应该寻求最佳pH。

2、过饱和度

溶液过饱和度指的是溶液的过饱和状态，在一定程度上可以反映沉淀生成的推动力，当溶液过饱和度小于1时，表明溶液未饱和，无法生成沉淀，等于1时，处于平衡状态，大于1时，溶液处于过饱和状态，才有沉淀生成。

3、反应时间

反应时间虽然不能够影响氮磷的去除率，但是对于鸟粪石晶体成型十分必要。鸟粪石晶体的生长十分缓慢，生长速率受到溶液的过饱和度、传质效率等因素的影响。在反应器中，液体紊流程度高，传质效率得到改善，晶体生长时间也会相应缩短。鸟粪石的生长速率还受到颗粒的比表面积影响，随着颗粒体积增加，比表面积逐渐下降，意味着反应的有效面积减少，鸟粪石生长速率下降，氮磷的去除率也逐渐降低，因此，为了保持较高的氮磷去除率和鸟粪石增长率，应定期从反应器中取出较大的鸟粪石颗粒。

总结

鸟粪石是一种品质极好的肥料，在污水处理过程中，通过加入镁离子实现了氮磷的去除和有效利用，符合可持续发展的理念，而且镁离子来源于海水和盐卤水，成本低廉。然而，鸟粪石处理工艺受影响因素较多、工艺流程偏复杂，至今未能成为主流污水处理技术。鸟粪石脱氮除磷工艺作为一种潜在的符合社会发展需要的污水处理技术，有待后续更多研究。

原标题：鸟粪石在污水处理脱氮除磷过程中的应用