Morphology and elemental composition of product obtained from struvite fluidized bed reactor

• Autorzy: Bydałek F. , Kula A. , Mąkinia J.

Identyfikatory

DOI

10.2478/ceer-2018-0025

Warianty tytułu

PL

Morfologia i skład chemiczny produktu odzysku fosforu w reaktorze z ruchomym złożem

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Phosphorus scarcity is no longer a distant future, therefore the idea of phosphoru recovery is currently widely adopted and developed. Technologies based on the struvite precipitation are consider to address the future P challenges in the optimum way. This paper presents the results of the pilot scale implementation of fluidized bed reactor for struvite precipitation at the wastewater treatment plant. The test was carried out to assess the applicability of the technology in terms of robustness and final product quality, operating at low pH level (7,5-7,8). Obtained struvite pellets were characterized by X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM) with an energy dispersive spectrometer (EDS). The presence of foreign ions and particulate impurities in the feed source, affected the uniform growth of the crystal structure, resulting in highly porous structure of the pellets. Despite the varying physiochemical conditions, typical for wastewater, obtained pellets were determined with 95% struvite purity.

PL

Kurczące się zasoby fosforu kopalnego jak i ich niekorzystny rozdział geopolityczny, powodują iż koncepcja odzysku fosforu z różnego rodzaju odpadów staje się rozwiązaniem niezbędnym dla zapewnienia dalszego, sprawnego funkcjonowania ludzkości. Na przestrzeni ostatnich dwóch dekad, opracowany został cały szereg technologii, dostosowanych do pracy w układach oczyszczania ścieków. Biorąc pod uwagę możliwości wdrożeniowe jak i właściwości agronomiczne uzyskanego produktu w danym procesie odzysku fosforu, technologie oparte o proces wytrącania fosforu w postaci fosforanu magnezowo-amonowego/struwitu (MgNH4PO4 •6H2O), uznane są powszechnie za jedno z najlepszych rozwiązań. W artykule scharakteryzowano granulat uzyskany w reaktorze o złożu ruchomym zasilanym odciekami z komory fermentacji. Reaktor wykonany był w technologii Ostara PEARL. Ciecz procesową utrzymywano w przedziale pH 7,5-7,8, tym samym ograniczając ilość dozowanych chemikaliów. Jako źródło magnezu wspomagające proces krystalizacji struwitu wykorzystano chlorek magnezu. Pomiary składu chemicznego i morfologii uzyskanego materiału wykonano przy użyciu technik dyfrakcji rentgenowskiej (XRD) oraz spektroskopii dyspersji energii promieniowania rentgenowskiego (SEM-EDS). Uzyskane wyniki wykazują wysoką (95%) zawartość struwitu w granulacie oraz śladowe ilości zanieczyszczeń organicznych wbudowanych w strukturę przestrzenną materiału. Obecność jonów Ca oraz kwasów humusowych, zaburzyła równomierny rozrost sieci krystalicznej, powodując wysoką porowatość materiału. Badanie potwierdziło potencjał wdrożeniowy technologii produkcji struwitu, w szczególności w odniesieniu do odporności procesu na występujące wahania składu chemicznego cieczy procesowej.

Słowa kluczowe

EN

phosphorus recovery; struvite; fluidized bed

PL

odzysk fosforu; struwit; złoże ruchome

• Wydawca: Oficyna Wydawnicza Uniwersytetu Zielonogórskiego
• Czasopismo: Civil and Environmental Engineering Reports
• Rocznik: 2018
• Tom: Vol. 28, no. 2
• Strony: 139--149
• Opis fizyczny: Bibliogr. 29 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Bydałek F.

• Gdansk University of Technology, Gdańsk, Poland

autor

Kula A.

• AGH – University of Science and Technology, Cracow, Poland

autor

Mąkinia J.

• Gdansk University of Technology, Gdańsk, Poland

Bibliografia

• 1. Cabeza, R., Steingrobe, B., Römer, W., Claassen, N.: Effectiveness of recycled P products as P fertilizers, as evaluated in pot experiments. Nutrient Cycling in Agroecosystems, (2011) 91(2), 173.
• 2. Cordell, D., Rosemarin, A., Schröder, J. J., & Smit, A. L. (2011). Towards global phosphorus security: A systems framework for phosphorus recovery and reuse options. Chemosphere, 84(6), 747-758.
• 3. Cordell D., Drangert JO., White S.: "The story of phosphorus: global food security and food for thought." Global environmental change 19.2 (2009): 292-305.
• 4. Cornel, P., C. Schaum. "Phosphorus recovery from wastewater: needs, technologies and costs." Water Science and Technology 59.6 (2009): 1069-1076.
• 5. Degryse, F., Baird, R., Da Silva, R. C., McLaughlin, M. J. Dissolution rate and agronomic effectiveness of struvite fertilizers–effect of soil pH, granulation and base excess. Plant and soil, (2017) 410(1-2), 139-152.
• 6. Egle, L., Rechberger, H., Krampe, J., Zessner, M. Phosphorus recovery from municipal wastewater: An integrated comparative technological, environmental and economic assessment of P recovery technologies. Science of the Total Environment, (2016) 571, 522-542.
• 7. Everaert, M., Degryse, F., McLaughlin, M. J., De Vos, D., Smolders, E. Agronomic effectiveness of granulated and powdered P-exchanged Mg–Al LDH relative to struvite and MAP. Journal of agricultural and food chemistry, (20170 65(32), 6736-6744.
• 8. Everaert, M., da Silva, R. C., Degryse, F., McLaughlin, M. J., Smolders, E. Limited Dissolved Phosphorus Runoff Losses from Layered Double Hydroxide and Struvite Fertilizers in a Rainfall Simulation Study. Journal of environmental quality, (2018) 47(2), 371-377.
• 9. Hao X., Wang C., van Loosdrecht M., Hu Y. Looking Beyond Struvite for PRecovery. Environmental Science & Technology (2013) 47 (10), 4965-4966.
• 10. Huang, H., Zhang, P., Zhang, Z., Liu, J., Xiao, J., Gao, F. Simultaneous removal of ammonia nitrogen and recovery of phosphate from swine wastewater by struvite electrochemical precipitation and recycling technology. Journal of Cleaner Production, (2016) 127, 302-310.
• 11. Kataki, S., West, H., Clarke, M., Baruah, D. C. Phosphorus recovery as struvite: Recent concerns for use of seed, alternative Mg source, nitrogen conservation and fertilizer potential. Resources, Conservation and Recycling, (2016)107, 142-156.
• 12. Latifian, M., Liu, J., Mattiasson, B. Struvite-based fertilizer and its physical and chemical properties. Environmental technology, (2012) 33(24), 2691-2697.
• 13. Le Corre, K. S., Valsami-Jones, E., Hobbs, P., Parsons, S. A. Impact of calcium on struvite crystal size, shape and purity. Journal of crystal growth, (2005) 283(3-4), 514-522.
• 14. Lin, Z. H., Chen, L. S., Chen, R. B., Zhang, F. Z., Jiang, H. X., Tang, N., & Smith, B. R. Root release and metabolism of organic acids in tea plants in response to phosphorus supply. Journal of plant physiology, (2011) 168(7), 644-652.
• 15. Lou, Y., Ye, Z. L., Chen, S., Wei, Q., Zhang, J., & Ye, X. Influences of dissolved organic matters on tetracyclines transport in the process of struvite recovery from swine wastewater. Water research, (2018) 134, 311-326.
• 16. Maaß, O., Grundmann P., von Bock und Polach C. Added-value from innovative value chains by establishing nutrient cycles via struvite. Resources, Conservation and Recycling 87 (2014): 126-136.
• 17. Mayer, B. K., Baker, L. A., Boyer, T. H., Drechsel, P., Gifford, M., Hanjra, M. A., ... & Rittmann, B. E. Total value of phosphorus recovery. Environmental science & technology, (2016) 50(13), 6606-6620.
• 18. Muster, T. H., Douglas, G. B., Sherman, N., Seeber, A., Wright, N.: & Güzükara, Y. Towards effective phosphorus recycling from wastewater: quantity and quality. Chemosphere, (2016) 91(5), 676-684.
• 19. Myszograj, S. Effects of the solubilisation of the COD of municipal waste in thermal disintegration. Archives of Environmental Protection, (2013) 39(2), 57-67.
• 20. Pastor, L., Mangin, D., Ferrer, J., Seco, A. Struvite formation from the supernatants of an anaerobic digestion pilot plant. Bioresource technology, (2010) 101(1), 118-125.
• 21. Perwitasari, D. S., Muryanto, S., Jamari, J., & Bayuseno, A. P. Kinetics and morphology analysis of struvite precipitated from aqueous solution under the influence of heavy metals: Cu2+, Pb2+, Zn2+. Journal of environmental chemical engineering, (2018) 6(1), 37-43.
• 22. Phothilangka, P., M. A. Schoen, and B. Wett. "Benefits and drawbacks of thermal pre-hydrolysis for operational performance of wastewater treatment plants." Water science and technology, 58.8 (2008): 1547-1553.
• 23. Ping, Q., Li, Y., Wu, X., Yang, L., & Wang, L. Characterization of morphology and component of struvite pellets crystallized from sludge dewatering liquor: effects of total suspended solid and phosphate concentrations. Journal of hazardous materials, (2016) 310, 261-269.
• 24. Shih, K., Yan H. The Crystallization of Struvite and Its Analog (K-Struvite) From Waste Streams for Nutrient Recycling. Environmental Materials and Waste (2016) 665-686.
• 25. Shih, Y. J., Abarca, R. R. M., de Luna, M. D. G., Huang, Y. H., & Lu, M. C. Recovery of phosphorus from synthetic wastewaters by struvite crystallization in a fluidized-bed reactor: effects of pH, phosphate concentration and coexisting ions. Chemosphere, (2017) 173, 466-473.
• 26. Talboys, P. J., Heppell, J., Roose, T., Healey, J. R., Jones, D. L., & Withers, P. J. Struvite: a slow-release fertiliser for sustainable phosphorus management? Plant and soil, (2016) 401(1-2), 109-123.
• 27. Wang, C. C., Hao, X. D., Guo, G. S., Van Loosdrecht, M. C. M. Formation of pure struvite at neutral pH by electrochemical deposition. Chemical Engineering Journal, (2010) 159(1-3), 280-283.
• 28. Yan, H., & Shih, K. Effects of calcium and ferric ions on struvite precipitation: a new assessment based on quantitative X-ray diffraction analysis. Water research, (2016) 95, 310-318.
• 29. Zhou, Z., Hu, D., Ren, W., Zhao, Y., Jiang, L. M., & Wang, L. Effect of humic substances on phosphorus removal by struvite precipitation. Chemosphere, (2015) 141, 94-99.

Uwagi

PL

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