Modelling of sediment precipitation containing struvite from aqueous solutions on the inner walls of steel pipelines

• Autorzy: Czajkowska Justyna , Malarski Maciej , Siwiec Tadeusz

Identyfikatory

DOI

10.24425/aep.2019.127977

Warianty tytułu

PL

Modelowanie wytrącania osadów zawierających struwity z roztworów wodnych na wewnętrznych ścianach rurociągów stalowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The complexity and uncontrolled formation of struvite (MgNH₄PO₄·6H₂O) and its deposition in the technological equipment of wastewater treatment plants (WWTPs) are still the subject of research aimed at understanding the causes and proposing a remedial action. In order to reduce the intensity of the precipitation of struvite in wastewater treatment plants, it is recommended, among others, to limit flow velocity to below 1.5 m·s^-1. Literature analysis showed that there are no studies on the precipitation of struvite deposits in pipelines. Most studies focus on the deliberate precipitation of struvite, for example phosphorus recovery, resulting in a molar ratio of 1:1:1 (NH₄⁺:PO₄^3-:Mg²⁺). In fact, in WWTPs, such concentrations do not occur, but there have been cases of the precipitation of this mineral (and its mixtures) in the sludge parts. In this paper, the study aimed at determining conditions for the precipitation of deposits with a significant participation of struvite on the inner walls of steel pipes. The study was conducted at a non-stoichiometric concentration of ingredients at different pH values, as well as under dynamic conditions with flow velocity below 1.5 m·s^-1. A mathematical formula (ANOVA) that can be used to determine the mass of deposits in relation to the concentration of ammonium, phosphate, pH and flow velocity was developed. Computational models were developed on to investigate struvite precipitation under different pH levels (8.0–9.5) and ionic concentrations. The studies were carried out on solutions containing ammonium (NH₄⁺), phosphate (PO₄ ^3-), and magnesium (Mg²⁺), at a flow velocities of 0.4, 0.9 and 1.4 m·s^-1. In order to determine the mathematical formula thanks to which the mass of precipitates can be determined, a special pilot study installation was constructed. The XPS surface analysis of sludge from sewage treatment plants showed a similar composition of compounds with sediments obtained in own research. The presence of struvite was suggested, but the share of atomic percentage of bonds to which struvite was classified is small and amounts to less than 4%. This means that sediments precipitated in the technological installations are a mixture of various compounds of which pure struvite may constitute only a small part.

PL

Złożoność i niekontrolowane powstawanie struwitu (MgNH₄PO₄·6₂O) oraz jego osadzanie w urządzeniach technologicznych oczyszczalni ścieków jest nadal przedmiotem badań mających na celu zrozumienie przyczyn i zaproponowanie działań zaradczych. W celu zmniejszenia intensywności wytrącania struwitu w oczyszczalniach ścieków zalecano między innymi ograniczenie prędkości przepływu poniżej 1,5 m·s^-1. Analiza literatury wykazała, że nie ma badań dotyczących wytrącania struwitu w rurociągach stalowych. Większość badań koncentruje się na umyślnym wytrącaniu struwitu, na przykład w celu odzysku fosforu, doprowadzając do stosunku molowego 1:1:1 (NH₄:PO₄:Mg). W rzeczywistości w oczyszczalniach ścieków takie stężenia nie występują, ale zdarzały się przypadki wytrącania tego minerału (i jego mieszanin) w częściach osadowych. W pracy podjęto próbę określenia warunków występowania osadów z udziałem struwitu na wewnętrznych ścianach rur stalowych. Badanie przeprowadzono przy niestechiometrycznym stężeniu składników przy różnych wartościach pH, a także w warunkach dynamicznych z prędkością przepływu poniżej 1,5 m·s-1. Opracowano wzór matematyczny (ANOVA), który można wykorzystać do określenia masy osadów w zależności od stężenia amonu, fosforanu, pH i prędkości przepływu. Opracowano modele obliczeniowe do badania wytrącania struwitu i jego mieszanin przy różnych poziomach pH (8,0–9,5) i stężeniach jonowych. Badania prowadzono na roztworach zawierających jony, w tym amonu (NH4⁺), fosforanu (PO₄^3-), magnezu (Mg²⁺) oraz prędkości przepływu (0,4; 0,9 i 1,4 m·s^-1). Następnie wyznaczono formułę matematyczną w oparciu o badania wyzyskane w warunkach przepływowych na specjalnie skonstruowanej instalacji. Analiza powierzchniowe osadów mineralnych z oczyszczalni ścieków wykazała podobny skład z osadem uzyskanym w badaniach własnych. Sugerowano istnienie struwitu, ale procent udziału atomowego połączeń, do których sklasyfikowano struwite jest mały i wynosi mniej niż 4%. Oznacza to, że osady powstające w obiektach technologicznych oczyszczalni ścieków są mieszaniną różnych związków, w których czysty struwit może stanowić tylko niewielką część.

Słowa kluczowe

EN

modelling; crystallization; struvite

PL

modelowanie; krystalizacja; struwit

• Wydawca: Institute of Environmental Engineering, Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Environmental Protection
• Rocznik: 2019
• Tom: Vol. 45, no. 2
• Strony: 22--30
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Czajkowska Justyna

• Warsaw University of Life Sciences, Poland

autor

Malarski Maciej

• Warsaw University of Life Sciences, Poland

autor

Siwiec Tadeusz

• Warsaw University of Life Sciences, Poland

Bibliografia

• 1. Ali, M.I. & Schneider, P.A. (2006). A fed-batch design approach of struvite system in controlled supersaturation, Chemical Engineering Science, 61, pp. 3951-3961.
• 2. Bhuiyan, M.I.H., Mavinic, D.S. & Koch, F.A. (2008). Thermal decomposition of struvite and its phase transition, Chemosphere, 70, pp. 1347-1356.
• 3. Crutchik, D. & Garrido, J.M. (2011). Struvite crystallization versus amorphous magnesium and calcium phosphate precipitation during the treatment of a saline industrial wastewater, Water Science and Technology, 64, 12, pp. 2460-2467.
• 4. Czajkowska, J. & Siwiec, T. (2011). Crystallization of struvite in variable conditions of the reaction and concentrations of the analyzed components, Infrastruktura i Ekologia Terenów Wiejskich, PAN branch in Cracow, 7, pp. 145-154. (in Polish)
• 5. Czajkowska, J. (2012). Crystallization of struvite from solutions at pH 9.5 and varying concentrations of the analyzed components, Przegląd Naukowy Inżynieria i Kształtowanie Środowiska, 21, 1, pp. 38-45. (in Polish)
• 6. Czajkowska, J. (2013). Influence of flow velocity and concentrations of individual ions on struvite deposition from aqueous solutions on internal surfaces of steel pipelines at pH=9.5, Zeszyty Naukowe Uniwersytetu Zielonogórskiego, Inżynieria Środowiska, 152, 32, pp. 105-112. (in Polish)
• 7. Huang, H., Liu, J., Xu, Ch. & Gao, F. (2016). Recycling struvite pyrolysate obtained at negative pressure for ammonia nitrogen removal from landfill leachate, Chemical Engineering Journal, 284, pp. 1204-1211.
• 8. Kim, T.-H., Nam, Y.-K. & Lim, S.J. (2014). Effects of ionizing radiation on struvite crystallization of livestock wastewater, Radiation Physics and Chemistry, 97, pp. 332-336.
• 9. Konieczny, P. (2002). Struvite. How to prevent it from forming? Seminar Kemipol Copenhagen, pp. 38-48. (in Polish)
• 10. Kuglarz, M., Grübel, K. & Bohdziewicz, J. (2014). Post-digestion liquor treatment in the method combining chemical precipitation with reverse osmosis, Archives of Environmental Protection, 40, 3, pp. 29-42.
• 11. Le Corre, K.S., Vaslami-Jones, E., Hobbs, P. & Parsons, S.A. (2005). Impact of calcium on struvite crystal size, shape and purity, Journal of Crystal Growth, 283, pp. 514-522.
• 12. Marchi, A., Geerts, S. & Weemaes, M. (2014). Full-scale phosphorous recovery as struvite from digested sludge: a return on experience. 2nd IWA Specialized International Conference ecoSTP 2014 Eco Technologies for Wastewater Treatment Technical, Environmental & Economic Challenges, Verona, Italy, 23-27 June 2014, pp. 110-114.
• 13. Mazierski, J. & Kowalski, E. (2008). Kinetics of struvite precipitation in a batch and flow reactor in a laboratory scale, Przemysł Chemiczny, 87, pp. 520-523. (in Polish)
• 14. Mehrez, H., Gras, M., Valderrama, C., Dosta, J., Cortina, J.L. & Batis, N.H. (2014). Hydroxyapatite precipitation from a highly concentrated phosphate solution. 2nd IWA Specialized International Conference eco STP 2014 Eco Technologies for Wastewater Treatment Technical, Environmental & Economic Challenges Verona, Italy, 23-27 June 2014, pp. 657-660.
• 15. Ohlinger, K.N., Young, T.M. & Schroeder, E.D. (1998). Predicting struvite formation in digestion, Water Research, 32, 12, pp. 3607-3614.
• 16. Petruzzelli, D., Dell’Erba, A., Liberti, L., Notarnicola, M. & Sengupta, A.K. (2004). Aphosphate-selective sorbent for REM NUT® process: field experience at Massafra, Wastewater Treatment Plant. Reactive & Functional Polymers, 60, pp. 195-202.
• 17. Siwiec, T., Reczek, L., Michel, M.M., Gut, B., Hawer-Strojek, P., Czajkowska, J., Jóźwiakowski, K., Gajewska, M. & Bugajski, P. (2018). Correlations between organic pollution indicators in municipal wastewater, Archives of Environmental Protection, 44, 4, pp. 50-57.
• 18. Soares, A., Czajkowska, J., Colprim, J., Gali, A., Johansson, S., Masic, A., March, A., McMeod, A., Nenov, V., Ruscalleda, M. & Siwiec, T. (2017). Nutrients recovery from wastewater streams, in: Innovative Wastewater Treatment & Resource Recovery Technologies. Impacts on Energy, Economy and Environment, Lema, J.M. & Suarez, S. (Eds.). IWA Publishing, London 2017, pp. 369-398.
• 19. Soczek, A. (2003). The use of polymers to eliminate struvite and calcium deposits, Forum Eksploatatora, 1, pp. 10-12. (in Polish)
• 20. Xue, T. & Huang, X. (2007). Releasing characteristics of phosphorus and another substances during thermal treatment of excess sludge, Journal of Environmental Sciences, 19, pp. 1153-1158.
• 21. Zou, H. & Wang, Y. (2017). Optimization of induced crystallization reaction, Archives of Environmental Protection, 43, 4, pp. 33-38.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).