基于物理化学平衡模型的厌氧消化污泥后曝气系统中鸟粪石沉淀的系统化研究与应用

《Next Research》：Development and application of a physico-chemical equilibrium model for systematic struvite precipitation from post-aerated municipal anaerobically digested sludge

本研究针对污水处理厂厌氧消化污泥中磷回收的需求，开发并验证了一个基于SIMBA#软件的物理化学平衡模型，用于预测后曝气条件下鸟粪石（MgNH4PO4·6H2O）的沉淀过程。通过中试规模实验校准和验证，模型对pH、Mg2+、PO4-P等关键参数的预测偏差低于5%，为鸟粪石沉淀工艺的优化设计和资源高效运行提供了可靠工具，有助于推动磷资源从污泥灰分中的回收。

　　

磷是现代农业不可或缺的肥料成分，也是锂离子磷酸电池等环保技术的关键原料。然而，全球磷矿资源分布极不均衡，欧盟将其列为战略性关键原材料。随着欧盟绿色协议和循环经济行动计划的推进，从城市污水处理厂回收磷元素已成为重要战略方向。污水处理过程中，通过强化生物除磷（EBPR）等技术，污水中溶解性磷酸盐被转移至污泥相。在厌氧消化过程中，这些磷会重新释放为高浓度的正磷酸盐（ortho-P），浓度可达200-400 mg/L，这为磷回收创造了理想条件。

传统磷回收技术面临诸多挑战：鸟粪石（MgNH₄PO₄·6H₂O）结晶颗粒大小影响分离效率，化学平衡关系复杂难以精准控制，不同离子间相互作用会降低沉淀剂有效性。更棘手的是，管道系统中不受控制的沉淀物会引发堵塞问题，而现有化学平衡模型多基于合成废水或实验室数据，难以直接指导实际工程应用。

为解决这些难题，维也纳工业大学的研究团队在《Next Research》发表了创新性研究，他们开发了一个专门针对后曝气厌氧消化污泥的物理化学平衡模型，通过系统研究揭示了鸟粪石沉淀过程的化学本质。

研究人员采用了三个关键技术方法：首先设计了260升鼓泡塔反应器中试系统，使用真实厌氧消化污泥进行批式实验；其次基于SIMBA# 3.2平台构建物理化学平衡模型，整合了120多个水化学平衡反应；第三采用三种活性系数模型（Debye-Hueckel、Guentelberg、Davis）进行对比验证，考察不同Mg:PO₄-P摩尔比（0.75:1, 1:1, 1.5:1）下的沉淀效果。

模型构建与验证

研究团队建立了包含固、液、气三相的完整模型体系。固体相考虑了鸟粪石、方解石（CaCO₃）、磷酸二钙二水合物（DCPD）等8种可能形成的矿物。液相平衡涵盖了碳酸盐、磷酸盐、铵盐和氢氧化物等18个关键化学平衡，气相则重点处理CO₂的 stripping过程。通过引入修正因子f_Mg,pre来量化沉淀剂的实际活性，解决了离子间相互作用导致的效率损失问题。

实验结果与分析

在化学计量比（Mg:PO₄-P=1:1）条件下，模型表现出优异的预测能力。添加沉淀剂后，PO₄-P浓度从292 mg/L迅速降至40 mg/L，去除率达85%。随着pH值通过后曝气升至8.2，PO₄-P进一步沉淀，最终去除率达到94.7%。三种活性系数模型中，Debye-Hueckel模型对Mg²⁺浓度的预测最为准确，而Davis模型在高离子强度条件下表现更优。

超化学计量比（Mg:PO₄-P=1.5:1）实验显示，PO₄-P去除率可达98.3%，但沉淀剂的有效性修正因子降至0.84，表明过量添加会导致效率递减。亚化学计量比（Mg:PO₄-P=0.75:1）条件下仍能达到89.9%的去除率，证明了工艺的鲁棒性。

模型性能评估

通过误差平方和（SSE）统计分析，模型对所有实验条件下的PO₄-P去除率预测偏差均小于5%。特别值得注意的是，模型成功预测了添加酸性沉淀剂后pH值的瞬时下降以及Ca²⁺浓度的异常升高，这源于方解石的重新溶解现象，展现了模型对复杂动态过程的捕捉能力。

研究结论表明，基于物理化学平衡的建模方法能够准确预测后曝气厌氧消化污泥中的鸟粪石沉淀过程。模型揭示了沉淀剂有效性随添加量增加而降低的规律，为优化MgCl₂·6H₂O投加策略提供了理论依据。此外，研究发现了NH₄-N浓度在实验过程中保持稳定的异常现象，提示可能存在未被考虑的化学平衡或生物活动，为后续研究指明了方向。

这项研究的重要意义在于首次将地质化学领域的平衡模型成功应用于真实污泥系统，填补了理论模型与工程实践之间的鸿沟。所开发的模型可直接用于鸟粪石沉淀工艺的设计优化，预计可降低药剂消耗15-20%，同时避免管道结垢问题。随着欧盟强制磷回收政策的实施，这种基于模型优化的沉淀技术将为污水处理厂提供经济高效的解决方案，推动磷资源从"废物"向"城市矿山"的转变。