从污泥浸出液中高效选择性回收磷酸铁产品的方法和系统

本发明属于磷回收，更具体地，涉及从污泥浸出液中高效选择性回收磷酸铁产品的方法和系统。

背景技术：

1、当前，全球的磷元素主要从高浓度的磷矿向低浓度的自然环境中扩散，导致磷元素在生物圈中单向流动及不可再生的特性。而磷元素作为植物生长不可缺少的营养元素，对现代农业的发展十分关键。据估计，全球可用的磷矿储量将在50–100年内耗尽，因此，需要寻找磷矿石的替代资源来满足现代农业对磷元素的日益增长需求。

2、人类日常生产生活消耗的大量磷元素通过城市污水管网进入污水处理厂，其中污水中90％的磷元素经过生物除磷工艺或化学沉淀过程最终浓缩至污泥中，因此市政污泥中含有大量的磷元素。市政污泥作为污水处理过程的副产物，需要进行适当的处理处置，而污泥焚烧技术作为一种污泥无害化处理技术，是许多国家推广应用的污泥处理工艺。市政污泥经过焚烧后，污泥体积大幅降低，污泥中磷元素进一步富集，其中的磷含量约占4.9–11.9wt％，与低品位磷矿石中的磷含量相当。当前全球的污泥经过焚烧处理后，污泥焚烧灰的年产量约为170万吨，污泥焚烧灰的年产量巨大，可作为磷矿石的一种替代品满足人类对磷日益增长的需求。但污泥焚烧过程中污泥焚烧灰中也富集了大量其它重金属元素，增加了污泥焚烧灰中磷元素的回收难度，因此需要开发各种技术提高回收的磷产品的纯度。

3、目前，湿法提取技术作为污泥焚烧灰中磷元素回收的主流技术，这一技术主要利用有机酸和无机酸等酸性试剂将污泥焚烧灰中的磷元素溶解至溶液，然后从溶液(浸出液)中回收磷元素。特别是，利用h2so4溶液将污泥焚烧灰中的磷元素溶解至溶液，磷元素浸出效率高达90–100％。但酸浸过程，污泥焚烧灰中其它可溶性元素和重金属元素也不可避免地伴随着溶解至浸出液，从而大幅增加了从浸出液中回收高纯度磷产品的难度。

4、研究者发现通过阳离子交换树脂可以通过离子交换作用降低浸出液中阳离子杂质的浓度，然后以严格的摩尔比投加nh4+和mg2+，并严格控制浸出液的ph，从而产生高纯度的鸟粪石产品。多次提取技术可以通过多次提取作用降低浸出液中杂质离子的浓度，从而提高后续磷产品的浓度。首先通过乙二胺四乙酸溶液提取污泥焚烧灰中杂质元素，然后将提取过杂质元素的污泥焚烧灰再次用h2so4溶液浸提，从而减少浸出液中杂质元素，最后投加生石灰产生高纯度的钙磷产品。但这两种技术产生磷产品需要额外的纯化处理才能实现高纯度磷产品的回收，磷产品回收过程复杂且昂贵。

5、研究者发现基于锆元素制备的吸附剂对磷元素具有特异性吸附，不需要经过任何纯化过程，能够直接从污泥浸出液中选择性回收磷元素。但锆吸附剂技术回收磷产品的工艺复杂，包括磷元素的吸附-解吸附过程以及磷产品的产生等一系列过程。而且锆吸附剂的制备过程复杂，后续锆吸附剂的吸附量降低需要对吸附剂进行处理处置，不利于大规模应用。因此需要开发一种操作简单、运行条件温和、经济成本低的高效回收磷元素的技术。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种直接从污泥浸出液中高效选择性回收磷元素的方法，该方法不需要额外的纯化预处理，仅需要投加一定量的铁元素至浸出液，并稍微调整浸出液ph至1.2左右，并在80℃水浴30min即可产生磷酸铁水合物沉淀，从而实现污泥焚烧灰中磷元素的高效回收，简单易行，具有较大的经济优势和应用前景。

2、本发明采用如下的技术方案。

3、从污泥浸出液中高效选择性回收磷酸铁产品的方法，包括以下步骤：

4、调整含磷元素的污泥浸出液的ph值为酸性，加热浸出液，投加铁盐，浸出液中磷元素以磷酸铁水合物的形式沉淀，回收磷酸铁水合物沉淀。

5、优选地，调整含磷元素的污泥浸出液的ph值至1-2之间，加热浸出液，控制浸出液温度至设定温度范围内并保温，以磷元素的摩尔为基准投加铁盐，使浸出液中磷元素以磷酸铁水合物的形式沉淀，固液分离得到磷酸铁水合物沉淀和浸出液。

6、优选地，向分离磷酸铁水合物沉淀后的浸出液投加污泥焚烧灰，循环利用浸出液。

7、优选地，所述方法具体包括以下步骤：

8、步骤1：将污泥焚烧灰投入h2so4溶液中，得到富含磷元素的污泥浸出液；

9、步骤2：将步骤1获得的污泥浸出液固液分离得到残渣和浸出液，在浸出液中投入铁盐，投加酸碱溶液将浸出液ph调节至设定范围，控制浸出液温度至设定范围，回收磷酸铁水合物沉淀。

10、优选地，步骤1包括：

11、步骤1.1：通过焚烧炉焚烧市政污泥后得到污泥焚烧灰；

12、步骤1.2：将污泥焚烧灰以50ml/g的液固比投加至0.2mol/l的h2so4溶液中，同时记录溶液ph为初始ph；

13、步骤1.3：将混有污泥焚烧灰的h2so4溶液在振荡培养箱中以200rpm振荡浸出12h，从而将污泥焚烧灰中磷元素充分酸溶至溶液，得到富含磷元素的污泥浸出液。

14、优选地，步骤2包括：

15、步骤2.1：将污泥浸出液固液分离得到残渣和浸出液；

16、步骤2.2：测量浸出液中磷元素浓度，并以磷元素的摩尔为基准在1∶1的化学计量摩尔比下加入铁元素；

17、步骤2.3：投加酸碱溶液将浸出液ph调节至目标ph值1.2，控制浸出液温度80℃并保温30min，促使浸出液中磷元素以磷酸铁水合物的形式沉淀：

18、步骤2.4：固液分离得到磷酸铁水合物沉淀和浸出液；

19、步骤2.5：将磷酸铁水合物沉淀放入烘箱中在70℃下干燥10h的得到干燥的磷酸铁水合物沉淀。

20、优选地，还包括步骤3：循环利用步骤2中分离出磷酸铁水合物沉淀后得到浸出液，具体为：

21、调整步骤2分离磷酸铁水合物沉淀后的浸出液ph值至初始ph，投加污泥焚烧灰，污泥焚烧灰中磷元素酸溶过程与步骤1一致，然后投加与步骤2等量的铁元素至浸出液，污泥浸出液中磷产品的回收过程与步骤2一致。

22、优选地，还包括步骤4：在步骤3浸出液中磷元素以磷酸铁水合物初次沉淀之后，将初次沉淀后的浸出液再次水浴并以磷酸铁水合物的形式回收磷元素。

23、优选地，还包括步骤5：将步骤4中浸出液在分离出磷酸铁水合物沉淀后进行第三次循环利用；浸出液第三次循环利用过程中，污泥焚烧灰中磷元素的回收过程与污泥浸出液第二次循环利用过程中磷元素回收过程一致，具体的回收步骤依次与步骤3和步骤4一致；

24、步骤6：将步骤5中浸出液在分离出磷酸铁水合物沉淀后进行第四次循环利用；浸出液第四次循环利用过程中，泥焚烧灰中磷元素的回收步骤与步骤5一致；

25、步骤7：将步骤6中浸出液两次分离出磷酸铁水合物沉淀后进行第五次循环利用；浸出液第五次循环利用过程中，污泥焚烧灰中磷元素释放至浸出液后，浸出液中磷元素需要以磷酸铁水合物沉淀的形式经过三次沉淀进行回收；浸出液中磷元素的前两次回收与步骤6一致，而浸出液中磷元素的第三次回收步骤与第二次回收步骤一致。

26、从污泥浸出液中高效选择性回收磷酸铁产品的系统，包括ph值调整模块、温控模块、铁元素添加模块和回收模块，分别用于调整含磷元素的污泥浸出液的ph值为酸性，加热浸出液，投加铁盐，在浸出液中磷元素以磷酸铁水合物的形式沉淀后回收磷酸铁水合物沉淀。

27、本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明提出了一种能够直接从污泥浸出液中高效回收磷元素的方法和系统，首次提出污泥浸出液中的磷元素在不纯化预处理的前提下，仅通过调整ph，投加铁盐以及控温，即可直接将浸出液中磷以高纯度的磷酸铁水合物的形式从污泥浸出液中沉淀回收。具体的：

28、(1)本发明主要通过在浸出液中投加铁剂量，并控制浸出液ph和温度，从而促使高纯度的磷酸铁产品的产生。该方法产生磷产品需要投加一定量的铁元素至浸出液，而铁元素在地球上广泛分布，价廉易得，利于该方法大规模应用。

29、(2)而酸浸后的初始污泥浸出液本身呈现酸性，仅需要稍微调整ph即可实现污泥浸出液ph为目标ph值，因此调整污泥浸出液所需酸碱试剂的剂量较少。

30、(3)本发明需要控制浸出液的温度为80℃并保持30min，从而促进磷酸铁的产生。控制浸出液温度所需的电能可通过太阳能、风能等绿色能源产生的电能供应，而且可以在电网负荷较低的夜晚进行，因此该方法所需电能的费用也具有经济性。

31、(4)通过本发明从浸出液中初次回收磷产品后，污泥浸出液仍呈现酸性，可以作为下一次从污泥焚烧灰中浸出磷元素的初始酸性溶液，从而实现酸性浸出液的循环利用(图1)。在酸性浸出液循环利用过程中，从污泥浸出液中回收的磷元素的效率逐渐增加，回收的磷产品的纯度仍较高。污泥浸出液经过循环利用5次后，污泥浸出液中磷元素的累积回收效率高达81.1±1.8％(图2)，回收的磷产品主要以磷酸铁水合物的形式存在(图3)。

32、因此本发明相对其他从污泥焚烧灰中回收磷元素的方法，不仅操作简单，运行条件温和，所需试剂也价廉易得，而且从污泥回收灰中回收磷元素的效率和纯度也较高，具有比较大的经济优势和市场应用前景。