蓝铁矿形成与分离试验研究
发布时间：2020-11-10 22:59
“磷危机”与“水体富营养化”并存问题促使从污水/污泥处理、处置中回收磷应运而生,因为磷回收可“一箭双雕”在某种程度缓解这两种现象。污水处理过程中大多数磷聚积于剩余污泥之中,同时,因污水本身或对其处理过程投加铁基混凝剂而使得剩余污泥中往往亦含有相当量的铁(Fe~(3+))。这就使得剩余污泥厌氧消化过程为蓝铁矿(Fe_3(PO_4)_2·8H_2O)物质生成创造了基质条件。蓝铁矿生成是生物与化学协同作用结果,形成的化合物直接沉积于污泥表面而与污泥混合于一体。因此,有效从污泥中分离并回收蓝铁矿便成为本课题研究内容。目前,有关从污泥中分离蓝铁矿的研究还十分有限,唯一应用的技术就是磁分离,中试规模可以获得近乎纯的蓝铁矿,回收率可达70%。课题研究尝试采用离心原理设计水力旋流器,以考察该工艺用于分离蓝铁矿是否同样有效。实验首先分析了实际剩余污泥厌氧消化蓝铁矿形成过程。历时22 d小试厌氧消化污泥2 183.75 mg/L内源铁(Fe~(3+))主要被金属还原菌(DMRB)还原(Fe~(2+)),与污泥细胞裂解产生的PO_4~(3-)结合生成蓝铁矿(12%污泥干重);低温冷冻干燥并不会影响蓝铁矿在污泥中的比例含量,但蓝铁矿从厌氧消化系统分离后容易被氧化而形成三斜蓝铁矿(Fe~(2+)_(3-x)-x Fe_x~(3+)(PO_4)_2(OH)_x·(8-x)H_2O)。简单气浮实验显示,一定程度上可以少量释放束缚在污泥表面的蓝铁矿。分离实验主要以水力旋流器进行,采用6 cm直径石英雾化室结合文丘里管水射器构建实验旋流装置。以实验室培养污泥作为底泥,通过投加市售平均粒径13.25μm蓝铁矿与污泥混合(干重含量10.21%)后进行分离实验。在0.15 MPa驱气压力不变情况下通过改变进料流量观察底流蓝铁矿分离效果;发现蓝铁矿纯度从分离前的10.21%干重最高可增加至32.67%(流量=100 mL/min)。然而,利用相同装置分离自培污泥外加铁源厌氧消化获得的蓝铁矿并未取得上述分离效果,73.9~89.6%蓝铁矿不是沉淀于底流而是随溢流外溢,应该是自生成蓝铁矿粒径过小所致,也受制于生成的复合磷酸盐组分。按工业标准设计新型水力旋流器,在0.3 MPa驱气压力下变流测试实际污泥中分离蓝铁矿亦未获得明显的改善效果,只是在400 mL/min流量下发现可有效去除底流重金属含量。在此情况下,通过在旋流器外壁和内部安装永磁铁尝试分离优化,可有效减少23.6%蓝铁矿溢流损失,使蓝铁矿纯度从11.45%提升至21.0%(污泥干重)。
【学位单位】：北京建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：X703
【部分图文】：
第2章蓝铁矿分离技术概论9含有52~62%干重的蓝铁矿和20%干重的有机质，利用碱浸出法可提取其中80%的磷，获得的富磷溶液中重金属含量符合欧盟设定的污泥回收磷酸盐产品重金属浓度标准。TUDelft与荷兰可持续用水技术研究中心Wetsus于2018年开展了为期2年半的ViviMag合作中试项目，目前他们宣称经过中试技术优化后可以回收污泥中70%的蓝铁矿，分离出的物质近乎为纯的蓝铁矿[46]。目前来看，湿式磁分离是目前最有效的蓝铁矿分离技术。ab图2-1(a)工业Jones分离器俯视结构[61];(b)小试Jones磁分离装置图[57]Fig.2-1(a)TheoverlookviewofindustrialJonesseparator;(b)Thegraphoflab-scaleJonesseparatordevice2.2.2泡沫浮选泡沫浮选因其处理时间短（~15min），分离细微矿物例如铜、锌、铅、煤矿具有较高的回收率（>80%）而被广泛应用于选矿行业[61,69]。工艺主要利用矿物颗粒表面之间存在的亲疏水性差异实现目标矿物的分离浓缩，这种差异可以是天然存在的，也可以通过添加一些表面活性剂或是捕获剂诱导形成，泡沫浮选可分离的矿物粒径范围在1~500μm。基本设备与分离过程原理可以由图2-2描述，浮选单元可以由简单的长方形或是柱状容器构成，利用机械设备在反应区形成大量微气泡，经过一段时间反应选择性地使疏水性矿物能依附于气泡上升，随着疏水颗粒在上层液面富集而形成泡沫层，随着水力的夹带作用在浮选槽中回收泡沫层中的矿物即为所需的精矿，亲水性的矿物下沉则成为尾矿。在工业上为了提高浮选矿物的效率，都需要添加一定的化学药剂用于浆料调质，如何减少化学药剂使用降低对环境的影响同时保证浮选高效性是该技术应用于蓝铁矿分离的一个难题。
第2章蓝铁矿分离技术概论9含有52~62%干重的蓝铁矿和20%干重的有机质，利用碱浸出法可提取其中80%的磷，获得的富磷溶液中重金属含量符合欧盟设定的污泥回收磷酸盐产品重金属浓度标准。TUDelft与荷兰可持续用水技术研究中心Wetsus于2018年开展了为期2年半的ViviMag合作中试项目，目前他们宣称经过中试技术优化后可以回收污泥中70%的蓝铁矿，分离出的物质近乎为纯的蓝铁矿[46]。目前来看，湿式磁分离是目前最有效的蓝铁矿分离技术。ab图2-1(a)工业Jones分离器俯视结构[61];(b)小试Jones磁分离装置图[57]Fig.2-1(a)TheoverlookviewofindustrialJonesseparator;(b)Thegraphoflab-scaleJonesseparatordevice2.2.2泡沫浮选泡沫浮选因其处理时间短（~15min），分离细微矿物例如铜、锌、铅、煤矿具有较高的回收率（>80%）而被广泛应用于选矿行业[61,69]。工艺主要利用矿物颗粒表面之间存在的亲疏水性差异实现目标矿物的分离浓缩，这种差异可以是天然存在的，也可以通过添加一些表面活性剂或是捕获剂诱导形成，泡沫浮选可分离的矿物粒径范围在1~500μm。基本设备与分离过程原理可以由图2-2描述，浮选单元可以由简单的长方形或是柱状容器构成，利用机械设备在反应区形成大量微气泡，经过一段时间反应选择性地使疏水性矿物能依附于气泡上升，随着疏水颗粒在上层液面富集而形成泡沫层，随着水力的夹带作用在浮选槽中回收泡沫层中的矿物即为所需的精矿，亲水性的矿物下沉则成为尾矿。在工业上为了提高浮选矿物的效率，都需要添加一定的化学药剂用于浆料调质，如何减少化学药剂使用降低对环境的影响同时保证浮选高效性是该技术应用于蓝铁矿分离的一个难题。
第2章蓝铁矿分离技术概论10图2-2泡沫浮选基本设备与分离原理图[61]Fig.2-2Schematicdiagramoffrothflotationmechanism[61]在污水处理领域也有类似于选矿行业的浮选技术用于污泥浓缩处理，不同于选矿采用的是分散气泡发生装置，污泥浓缩浮选通常采用的是溶气气浮，利用特殊的溶气装置，将空气超饱和溶解在水中，通过特殊的释放装置将高压水瞬间减压至常压，由于瞬间溶解度的下降而在水中溢出大量细密的微气泡，微气泡在特定的接触区域与水的混合接触过程中，与污泥中密度较小的颗粒结合，增大了上升浮力从而完成固液分离，液面上层浮渣通过刮渣机去除，浮渣含水率通常可以达到96%[70]，这样可以较大程度减少污泥量。浮选在去除污染物方面也具有一定效果，有研究学者发现，采用聚合氯化铝为絮凝剂，通过溶气气浮可以去除水中18种藻类，去除率普遍达到80%，以SDS为捕获剂通过分散气浮可以将特定藻种去除率提升至90%[71]；溶气气浮在去除污水中磷和一些化工染料方面也可获得70~80%的去除率[72]。固体颗粒能否依附于气泡是浮选的关键步骤，其过程是向着体系界面能减小的过程进行[73]，用公式2-2进行描述，可以看到接触角→0时，→0，气泡与固体颗粒不会附着，→180°时达到最大值，固体颗粒最容易与气泡附着，因此可以简单地通过固体颗粒与水的接触角大小来衡量矿物的可浮性。气液cos2-2式中：———反应前后界面能之差（mJ）；气液———气体液体之间的表面张力（mN/m）；———固体颗粒与液体表面之间的接触角（°）。用接触角仪（JC2000D1）检测购买的市售蓝铁矿（上海伊卡生物技术有限公司）接
【参考文献】
本文编号：2878427
【学位单位】：北京建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：X703
【部分图文】：
第2章蓝铁矿分离技术概论9含有52~62%干重的蓝铁矿和20%干重的有机质，利用碱浸出法可提取其中80%的磷，获得的富磷溶液中重金属含量符合欧盟设定的污泥回收磷酸盐产品重金属浓度标准。TUDelft与荷兰可持续用水技术研究中心Wetsus于2018年开展了为期2年半的ViviMag合作中试项目，目前他们宣称经过中试技术优化后可以回收污泥中70%的蓝铁矿，分离出的物质近乎为纯的蓝铁矿[46]。目前来看，湿式磁分离是目前最有效的蓝铁矿分离技术。ab图2-1(a)工业Jones分离器俯视结构[61];(b)小试Jones磁分离装置图[57]Fig.2-1(a)TheoverlookviewofindustrialJonesseparator;(b)Thegraphoflab-scaleJonesseparatordevice2.2.2泡沫浮选泡沫浮选因其处理时间短（~15min），分离细微矿物例如铜、锌、铅、煤矿具有较高的回收率（>80%）而被广泛应用于选矿行业[61,69]。工艺主要利用矿物颗粒表面之间存在的亲疏水性差异实现目标矿物的分离浓缩，这种差异可以是天然存在的，也可以通过添加一些表面活性剂或是捕获剂诱导形成，泡沫浮选可分离的矿物粒径范围在1~500μm。基本设备与分离过程原理可以由图2-2描述，浮选单元可以由简单的长方形或是柱状容器构成，利用机械设备在反应区形成大量微气泡，经过一段时间反应选择性地使疏水性矿物能依附于气泡上升，随着疏水颗粒在上层液面富集而形成泡沫层，随着水力的夹带作用在浮选槽中回收泡沫层中的矿物即为所需的精矿，亲水性的矿物下沉则成为尾矿。在工业上为了提高浮选矿物的效率，都需要添加一定的化学药剂用于浆料调质，如何减少化学药剂使用降低对环境的影响同时保证浮选高效性是该技术应用于蓝铁矿分离的一个难题。
第2章蓝铁矿分离技术概论9含有52~62%干重的蓝铁矿和20%干重的有机质，利用碱浸出法可提取其中80%的磷，获得的富磷溶液中重金属含量符合欧盟设定的污泥回收磷酸盐产品重金属浓度标准。TUDelft与荷兰可持续用水技术研究中心Wetsus于2018年开展了为期2年半的ViviMag合作中试项目，目前他们宣称经过中试技术优化后可以回收污泥中70%的蓝铁矿，分离出的物质近乎为纯的蓝铁矿[46]。目前来看，湿式磁分离是目前最有效的蓝铁矿分离技术。ab图2-1(a)工业Jones分离器俯视结构[61];(b)小试Jones磁分离装置图[57]Fig.2-1(a)TheoverlookviewofindustrialJonesseparator;(b)Thegraphoflab-scaleJonesseparatordevice2.2.2泡沫浮选泡沫浮选因其处理时间短（~15min），分离细微矿物例如铜、锌、铅、煤矿具有较高的回收率（>80%）而被广泛应用于选矿行业[61,69]。工艺主要利用矿物颗粒表面之间存在的亲疏水性差异实现目标矿物的分离浓缩，这种差异可以是天然存在的，也可以通过添加一些表面活性剂或是捕获剂诱导形成，泡沫浮选可分离的矿物粒径范围在1~500μm。基本设备与分离过程原理可以由图2-2描述，浮选单元可以由简单的长方形或是柱状容器构成，利用机械设备在反应区形成大量微气泡，经过一段时间反应选择性地使疏水性矿物能依附于气泡上升，随着疏水颗粒在上层液面富集而形成泡沫层，随着水力的夹带作用在浮选槽中回收泡沫层中的矿物即为所需的精矿，亲水性的矿物下沉则成为尾矿。在工业上为了提高浮选矿物的效率，都需要添加一定的化学药剂用于浆料调质，如何减少化学药剂使用降低对环境的影响同时保证浮选高效性是该技术应用于蓝铁矿分离的一个难题。
第2章蓝铁矿分离技术概论10图2-2泡沫浮选基本设备与分离原理图[61]Fig.2-2Schematicdiagramoffrothflotationmechanism[61]在污水处理领域也有类似于选矿行业的浮选技术用于污泥浓缩处理，不同于选矿采用的是分散气泡发生装置，污泥浓缩浮选通常采用的是溶气气浮，利用特殊的溶气装置，将空气超饱和溶解在水中，通过特殊的释放装置将高压水瞬间减压至常压，由于瞬间溶解度的下降而在水中溢出大量细密的微气泡，微气泡在特定的接触区域与水的混合接触过程中，与污泥中密度较小的颗粒结合，增大了上升浮力从而完成固液分离，液面上层浮渣通过刮渣机去除，浮渣含水率通常可以达到96%[70]，这样可以较大程度减少污泥量。浮选在去除污染物方面也具有一定效果，有研究学者发现，采用聚合氯化铝为絮凝剂，通过溶气气浮可以去除水中18种藻类，去除率普遍达到80%，以SDS为捕获剂通过分散气浮可以将特定藻种去除率提升至90%[71]；溶气气浮在去除污水中磷和一些化工染料方面也可获得70~80%的去除率[72]。固体颗粒能否依附于气泡是浮选的关键步骤，其过程是向着体系界面能减小的过程进行[73]，用公式2-2进行描述，可以看到接触角→0时，→0，气泡与固体颗粒不会附着，→180°时达到最大值，固体颗粒最容易与气泡附着，因此可以简单地通过固体颗粒与水的接触角大小来衡量矿物的可浮性。气液cos2-2式中：———反应前后界面能之差（mJ）；气液———气体液体之间的表面张力（mN/m）；———固体颗粒与液体表面之间的接触角（°）。用接触角仪（JC2000D1）检测购买的市售蓝铁矿（上海伊卡生物技术有限公司）接
【参考文献】
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2 郝晓地;衣兰凯;王崇臣;仇付国;;磷回收技术的研发现状及发展趋势[J];环境科学学报;2010年05期
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4 汤玉和,刘敏娉,尤罗夫ПП;新型磁力水力旋流器及其复合力场的研究[J];广东有色金属学报;1998年02期
5 K.A.Matis;刘明鉴;;溶气浮选和电解浮选[J];国外金属矿选矿;1990年04期
相关硕士学位论文 前1条
1 唐文钢;水力旋流器的基础理论及其应用研究[D];重庆大学;2006年
本文编号：2878427
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