尿液废水资源化处理中鸟粪石系晶体共结晶的影响及其机理

Phosphorus and potassium can be simultaneously recovered from urine wastewater through the crystallization of magnesium potassium phosphate hexahydrate. This would ease the tensions of the mineral resources and avoid water pollution due to eutrophication. However, the co-crystallization of struvite-type compounds blocks further development of this technique. Related studies on this issue are lacking. Therefore, this project aims to study the effects and the mechanisms of the co-crystallization via lab-scale experiments and computer modeling. The factors of the co-crystallization and its effects on nutrient recovery will be first investigated. Then, some important thermodynamic parameters including solubility product constant, standard molar enthalpy, etc. will be calculated via experiments based on classical thermodynamic theories. A lab-scale reactor will be constructed on a laser particle size analyzer, where to study reaction kinetics, crystal growth dynamics, and factors on particle size. Finally, a mathematic model will be established based on thermodynamics, reaction kinetics, and crystal growth dynamics of the co-crystallization. Simulation of the crystallization process is believed to reveal the mechanism of the co-crystallization and help solving the bottleneck problem in the crystallization process. The successful implementation of this project will improve the nutrient recovery from urine wastewater, and promote the development of sustainable treatment of wastewater.

磷酸钾镁反应结晶法能同步回收尿液废水中的磷和钾，有助于缓解矿产资源的紧张局面和改善因富营养化导致的水环境恶化，然而该技术的进一步应用却面临着鸟粪石系晶体共结晶干扰钾回收的问题。目前学界缺少对共结晶影响及其机理的相关研究，基于此，本项目将通过小试试验研究共结晶的影响因素和共结晶对资源回收效果的影响；基于反应热力学经典理论构建热力学参数的计算方法，利用小试试验测算溶度积常数、标准摩尔反应焓变等热力学参数，分析共结晶的反应热力学特性；结合激光粒度仪、扫描电镜和透射电镜构建晶体生长的表征方法，研究反应结晶的反应动力学、晶体生长动力学和晶体粒度的影响因素；结合反应热力学和结晶动力学构建尿液废水复杂环境下的共结晶数学模型，解析共结晶过程，揭示尿液废水中的共结晶机理。本项目的成功实施，将填补磷酸钾镁和磷酸钠镁反应结晶的部分研究空白，推动结晶法进行尿液废水资源化处理的研究，促进可持续型污水处理模式的发展。

磷酸钾镁反应结晶法能同步回收尿液废水中的磷和钾，有助于缓解矿产资源的紧张局面和改善因富营养化导致的水环境恶化，然而该技术的进一步应用却面临着鸟粪石系晶体共结晶干扰钾回收的问题。目前学界缺少对共结晶影响及其机理的相关研究，基于此，本项目通过小试试验研究了不同结晶条件下共结晶对尿液废水资源化效果的影响。基于反应热力学经典理论构建溶度积常数、标准摩尔反应焓和标准摩尔生成焓的计算方法，建立恒温全混式反应器，通过试验研究测算反应结晶热力学的重要参数，利用溶度积常数建立过饱和度计算方法，分析不同结晶条件对共结晶体系过饱和度的影响。依托激光粒度仪建立恒温全混式反应器，结合扫描电镜和透射电镜技术构建恒温全混式反应器中晶体尺寸生长的监测方法。设计单晶体的反应结晶试验，基于动力学经典理论构建三种晶体的反应动力学方程和晶体生长速率方程，设计尿液废水复杂环境下的共结晶试验，构建共结晶的反应动力学方程和晶体生长速率方程，研究不同结晶条件对晶体生长和晶体粒度的影响。基于反应热力学、反应动力学方程和晶体生长速率方程，构建尿液废水复杂环境下共结晶的数学模拟模型，完成模型的试验验证、不确定性分析和参数灵敏度分析；基于该数学模型，分析不同结晶条件对共结晶的影响，揭示共结晶的机理。运行该模型，分析共结晶调控的可行性，确定资源回收效果的最优化方案。