电沉淀技术回收废水中营养盐：开启污水资源化新路径

针对污水处理厂营养盐回收效率低和化学沉淀法高耗能问题，塞尔维亚诺维萨德大学团队创新性采用镁阳极电沉淀(EP)技术，在三种规模污水处理厂(9000-150000 PE)实际废水中实现磷(P)去除率>90%、氮(N)回收率20-30%，所得沉淀物符合欧盟肥料标准，为可持续废水管理提供电化学解决方案。

　　

随着全球磷矿资源日益枯竭和污水排放标准日趋严格，如何从废水中高效回收磷(P)和氮(N)已成为环境工程领域的重要课题。传统化学沉淀法虽能实现营养盐去除，但存在药剂消耗大、污泥产量多等问题，而生物法则面临能耗高、处理周期长等挑战。在此背景下，电化学沉淀技术因其"以电代药"的独特优势崭露头角，特别是采用镁(Mg)阳极原位产生Mg²⁺形成鸟粪石(struvite, MgNH₄PO₄·6H₂O)的工艺，既能回收营养盐又能获得高附加值肥料，可谓一举两得。

塞尔维亚诺维萨德大学(University of Novi Sad) Faculty of Sciences的研究团队在《Environmental Technology》发表的研究中，创新性地将电沉淀(Electroprecipitation, EP)技术应用于不同规模污水处理厂(WWTP)的实际废水处理。研究人员选取9,000、40,000和150,000人口当量(PE)的三类污水处理厂脱水污泥上清液作为研究对象，通过系统优化电流密度(CD)和反应时间等参数，探究了电化学法同步回收P和N的可行性。

研究采用镁合金(AZ31B)电极构建电化学反应体系，通过FTIR和XRD分析沉淀物组成，结合ICP-MS检测重金属含量，并参照欧盟2020/741法规评估出水水质。关键发现包括：对于小型WWTP(WW1)，最佳条件为30分钟/20 A·m^-2；中型WWTP(WW2)需30分钟/10 A·m^-2；而大型WWTP(WW3)则需要90分钟/20 A·m^-2才能实现最优处理效果。

3.1 反应时间对鸟粪石沉淀的影响

研究发现P去除率随处理时间延长显著提升，WW1在30分钟内即可达到93%去除率，而WW3需要90分钟才能达到>98%去除。相比之下，N去除效率普遍较低(20-45%)，这主要与废水中竞争性离子(Ca²⁺、Zn²⁺等)干扰晶体形成有关。pH值从初始7.2-7.9升至8.4-9.6，为鸟粪石结晶创造了有利条件。

3.2 电流密度的影响

提高电流密度虽能增强P去除效果，但边际效益递减。值得注意的是，WW2在较低CD(10 A·m^-2)下即获得95% P去除率，表明废水基质特性对工艺性能具有决定性影响。过量Mg²⁺释放可能导致非目标沉淀物生成，反而降低产品纯度。

3.3 主成分分析

PCA分析证实P去除效率与CD呈强正相关，而N去除则更多受初始浓度制约。WW1因N含量高(287.1 mg/L)表现出独特聚类特征，凸显废水特性对工艺响应的差异化影响。

3.4 出水水质评估

处理后的出水除WW1因BOD偏高(39 mg/L)仅符合塞尔维亚标准外，WW2和WW3均达到欧盟2020/741法规B类回用标准，重金属和微生物指标完全达标，展现了良好的农业回用潜力。

3.5 沉淀物分析

FTIR在3405-3440 cm^-1处检测到结晶水特征峰，XRD证实沉淀物主要成分为鸟粪石，同时含有少量卤石(halite)和钾盐(sylvite)。特别值得关注的是，所有沉淀物的重金属含量均低于欧盟2019/1009肥料标准限值，其中Cd、Pb、Hg等关键指标甚至未检出，微生物安全指标也完全合格。经济分析显示，每公斤鸟粪石生产成本仅0.13-0.83塞尔维亚第纳尔(约0.001-0.008美元)，展现出显著的成本优势。

该研究通过系统实验证实，电沉淀技术能适应不同规模污水处理厂的运行需求，在无需调节pH和电导率的条件下实现营养盐高效回收。相比传统化学沉淀法，该工艺减少药剂使用90%以上，同时产生的鸟粪石肥料符合最严格的欧盟标准。研究结果为污水处理厂从"处理终端"向"资源工厂"转型提供了关键技术支撑，对推动循环经济发展具有重要意义。未来研究可进一步优化电极材料、探索光伏驱动模式，并在实际污水处理场景中进行中长期运行验证。