超声调控悬浮颗粒表面特性促进畜禽废水中鸟粪石异相成核的研究

《Water Research》：Promote Heterogeneous Nucleation of Struvite in Livestock Wastewater by Regulating the Surface Properties of Suspended Particles with ultrasound-assisted pretreatment

本文提出了一种超声辅助预处理新策略，通过调控畜禽废水中悬浮固体（SS）的表面特性（形貌、官能团、表面能），成功将SS从结晶抑制剂转化为异相成核位点。研究采用响应面法优化参数（pH 9.0、Mg:N:P=1.2:1:1.2），在50 W超声处理600秒条件下实现NH3-N去除率>90%、鸟粪石纯度84.9%。经典成核理论证实超声使成核能垒降低55%，诱导时间缩短70%，为高固含量废水养分回收提供了绿色解决方案。

　　

章节亮点

猪场废水与化学品

真实猪场废水（SW）采集自江苏省盐城市大型养猪场的黑膜生物反应器厌氧出水。样品在采样后24小时内完成理化性质表征（表1），随后4℃冷藏待用。所有实验用化学品（包括Na₂HPO₄、MgCl₂和NaOH）均为分析纯，购自Greagent公司。实验全程使用超纯水（电阻率≈18.25 MΩ·cm）。

单因素对鸟粪石形成的影响

单因素实验优化了pH和Mg:N:P比例（图1）。NH₃-N去除率随pH升高而增加，在pH 9.0时达到峰值94.55%，后续因Mg(OH)₂形成导致性能下降。该pH条件下鸟粪石纯度达84.9%，表明平衡Mg²⁺和PO₄^3?浓度对优化去除率和纯度至关重要。Mg/N和P/N比例评估显示：Mg/N<1.0时NH₃-N去除受限，而比例提升后显著改善。

结论

本研究证实超声辅助预处理可将高固含量畜禽废水中的SS从结晶抑制剂转化为活性成核位点。在优化条件下实现90%以上NH₃-N去除率和约85%鸟粪石纯度。光谱/显微表征与机理分析表明，超声改性SS特性、降低成核能垒和诱导时间，从而提升晶体均质性，为高固废水体系超声辅助结晶技术建立了理论框架。

未引用参考文献

Guan等，2021

CRediT作者贡献声明

邢亦然： 原始撰写、软件、研究、数据整理、概念化。魏彦岑： 可视化、验证。袁海平： 评审编辑、资源、方法学、资金获取。朱楠文： 项目管理、资金获取。

利益冲突声明

作者声明无已知可能影响本研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究由上海市科学技术委员会（编号23DZ1203600）和上海市自然科学基金（编号23ZR1434700）资助。