黄水中氮磷钾回收的物化处理技术及其过程机理

发布时间：2020-07-22 06:23

【摘要】：本论文以黄水中氮、磷、钾的高效资源化为目标,研究了适宜于农村、山区等地区小规模应用的非稀释黄水稳定化—蒸发原位处理工艺,以及适宜于城市地区应用的稀释腐熟黄水磷酸钾镁反应结晶工艺,以优化固液分离效率为目标,重点研究了磷酸钾镁在搅拌式结晶器和流化床结晶器中的结晶动力学特征,解析了晶体粒径控制的机制。研究发现Ca(OH)_2投加对非稀释黄水中的尿素水解有抑制效果。结合热力学模型模拟和试验研究了不同条件下稳定化反应的效果,结果表明Ca(OH)_2的投加能够使非稀释黄水的pH升高至12以上,能有效抑制尿素的水解。结合试验和模型模拟的结果,对稳定化反应的参数进行了优化分析,结果表明,稳定化反应能够在常温下顺利进行,Ca(OH)_2的推荐投加量为至少10 g·L~(-1)。采用稳定化—蒸发组合工艺对非稀释黄水进行了处理。蒸发的最终析出产物为包含尿素和钾的混合固形物;蒸发过程中黄水的稳定性良好,pH能在较长时间内维持在12以上,当运行周期为一个月时,尿素的分解率仅为5%。蒸发过程中,当黄水体积浓缩至初始体积1/60时,尿素的析出速率急剧增加,尿素是蒸发析出产物中的主要成分。当Ca(OH)_2投加量为10 g·L~(-1)时,稳定化—蒸发工艺的产率为:1 L黄水产出24.8 g固体产品,氮、磷、钾的回收率分别为90%、92%、98%。利用搅拌式结晶器对磷酸钾镁结晶开展了优化研究。通过耦合粒数衡算方程求解和浊度监测,测算了磷酸钾镁的结晶动力学特性,解析了MgCl_2加料方式和搅拌转速对于磷酸钾镁结晶过程的作用机制。通过过饱和度、搅拌转速、加料方式的优化能够在一定程度上提高磷酸钾镁的结晶粒径,然而最优条件下最大粒径仅能达到63μm,通过反应条件的优化对磷酸钾镁晶体粒径的增大作用有限。利用流化床结晶器对磷酸钾镁结晶进行了优化。流化床最佳运行参数为:pH为10.5,Mg:P摩尔比为1:1,过饱和度为3.0,表观流速为350 cm·min~(-1)。优化条件下流化床的运行表明,颗粒最大粒径达4 mm,平均纯度达86±2%;钾和磷的去除效率分别达20~35%和80~90%。测算得到了晶体的生长速率表达式:G=5.046×10~(-9)SV~(0.88)S~(1.96),耦合物料衡算组合方程,构建了流化床运行模型。运用该模型对稳态运行的出水进行模拟,结果与实际结果吻合良好。
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X703
【图文】：

黄水,收集装置

非稀释黄水的收集装置

形态图,无定形磷酸钙,扫描电镜,形态

投加对新鲜黄水中尿素的稳定化研究23图2.6 文献报道中无定形磷酸钙在扫描电镜下的形态（a：无定形磷酸钙（Kim et al., 2005）；b：无定形磷酸钙（Szilágyi et al., 2015））图2.7 稳定化沉淀产物的扫描电镜图图2.8 扫描电镜和能谱仪分析黄水稳定化过程中形成的沉淀（左：个体小，球形颗粒聚集形成的附聚物的组成为 Ca、O、P、Mg；右：较大晶体颗粒的主要成分为 Ca 和 O）a ba bb

稳定化,扫描电镜图,无定形磷酸钙,产物

图2.6 文献报道中无定形磷酸钙在扫描电镜下的形态（a：无定形磷酸钙（Kim et al., 2005）；b：无定形磷酸钙（Szilágyi et al., 2015））图2.7 稳定化沉淀产物的扫描电镜图图2.8 扫描电镜和能谱仪分析黄水稳定化过程中形成的沉淀（左：个体小，球形颗粒聚集形成的附聚物的组成为 Ca、O、P、Mg；右：较大晶体颗粒的主要成分为 Ca 和 O）a ba bb

【参考文献】