MAP法去除尿液中的氮和磷

北京交通大学土木工程建筑学院2015年大创总结报告书1一、基本申请信息项 目 申报人：田秀君(指导教师)项目组人员：13232005(冯皓迪)，年级：2013，学院：土木建筑工程学院，专 业 ：环境工程，手机：18813095072(项目负责人)13232003(崔梦萦)，年级：2013，学院：土木建筑工程学院，专 业 ：环境工程，手机：1881309468613232004(丁一珊)，年级：2013，学院：土木建筑工程学院，专 业 ：环境工程，手机：18813094755项 目 指导教师：田秀君，学院：土木建筑工程学院，职称：副教授，电话：51684395，手机：51684395项 目 名称： MAP法去除尿液中的氮和磷项 目 类型： 创 新训练项目项 目 来源： B教 师科研项目选题来 源 项目类别： 省 级自然科学基金项目来 源 项目名称： 源 分 离尿液脱氮除磷横向子课题项 目 性质：工程应用依 托 实验室：市政与环境工程实验室学 科 一级门： 环 境 科学技术及资源科学技术学 科 二级类： 环 境 工程学项 目 起止时间： 2015年 01月 至 2016年 01月二、指导教师承担科研课题情况指 导 老师多年来一直从事环境化学及水污染控制技术等方面的教学与科 研 工作主讲课程有“环境分析化学”，“环境监测”等，发表论文20余篇，参加了亚行项目“Study on Carbon Capture and Storage for NaturalGas-Based Power Plants”。参加了多项国家级及省部级项目，主要有：科 技 部支撑计划项目—“村镇雨水测试与分析子课题(2006BAJ04A07-02);铁 道 部科技项目-“铁路节约水资源技术研究” (2009Z003-A);“混凝-超滤组合工艺凝聚体特性对膜污染的影响研究(50978014)”，“发电厂循环冷 却 水系统弗氏柠檬酸杆菌生物膜特性与控制机理研究（51278035）”，“活 性炭纤维电极水-固-气微界面吸附催化和氧化还原过程耦合及强化机

北京交通大学土木工程建筑学院2015年大创总结报告书2制研究（51478029）”等;目前的主要研究方向高级氧化技术，指导的硕士生研究开展了“纳米氧化亚铜降解亚甲基蓝的试验研究”、“CdInS/CdS光催 化 降解活性染料的试验研究”、“ BiVO4 光 催 化剂的制备及其可见光光催 化 性能研究”，“光电芬顿降解抗生素废水的研究”等。三、指导教师对本项目的支持情况指 导 老师可以提供部分药品、测试平台仪器、装置的搭建、对外联系取 样 等。四、立项背景（国内外研究现状趋势，参考文献和其他有关背景材料）尿 液 是一种复杂的混合溶液，含有高浓度的氨氮和磷酸盐，是城市生活污水中氮磷的主要来源，分别占到其负荷的80%和50%。氮磷等营养物质是肥料的重要组分，具有回收利用的价值，尿液直接和生活污水混合排放，会 使 氮磷营养物质流失且氮磷负荷增加。因此，对尿液进行收集并单独处理 或 回收其中的氮和磷，可以减少城市污水处理厂的投资、规模和费用，并 可 以获得氮磷资源，具有较好的经济效益和环境效益。通过对当前尿液处 理 现状的分析，根据这些方法的特点和尿液的特点，选择磷酸铵镁（Magnesium Ammonium Phosphate,MAP)结晶法去除和回收尿液中的氮和磷，并利用实际尿液和人工配水分别对尿液中氨氮和磷浓度变化特性、MAP去 除 回收尿液中氮磷影响因素、主要的回收对象、和效果进行实验。尽 管 我国的磷矿资源含量丰富，位居世界第二位，但是中低矿位多，难 选 矿多，开采难度大，而且磷矿开采整体利用率低，中国的基础磷矿储量仅可开采到2030年，因此磷和氮的回收不仅仅是环境保护的需要，也是国 民 经济的需要。此外，相对于传统的技术循环方式，从尿液中回收氮消耗 能 量更少，意味着将消耗更少的其他资源，本技术的可持续性及经济效益 也 将得以体现。尽 管 投加镁盐和磷酸盐可以获得比较完全的氮磷去除和回收效果，但存 在 难以操作、运行费用高、操作条件差等缺点，投入实际应用难度大，而 从 尿液中单独去除和回收磷则具有操作简单、经济效益高等优点，而且产 物 更加纯净，因此提出了MAP结晶更适于去除和回收尿液中磷的观点，并 且 现在我们利用RO浓水回收废物尿液中的磷,采取以废治废，具有最好

北京交通大学土木工程建筑学院2015年大创总结报告书3的经济效益和环境效益。同时，反渗透浓水RO具有有利于应用的特点，盐及 二 氧化硅含量高、pH高、碱度大，有细菌及有机物的存在，并且结垢型盐 类 其离子积要远远大于其溶度积。五 、 研究内容在 通 过分析和比较现有尿液处理方法优缺点的基础上，针对目前MAP应 用 于尿液处理研究的现状和不足，以实际尿液为处理对象，对尿液中氮和 磷 随时间的变化特性、MAP工 艺 的运行参数、去除和回收对象选择、产物 成 分等进行了系统的小试研究和对比。具体内容如下：（一）影响尿液中的N、P浓度时间变化特性研究研究新鲜尿液中N、P浓度随时间的变化规律，再加入温度影响因素，进 行 新鲜尿液水解的实验，为MAP工艺的应用提供稳定的尿液样品。（二）MAP工 艺 去除和回收尿液中的氮和磷研究利 用 烧杯实验就 MAP工艺同步去除和回收不同分解程度尿液中的氮、磷 以 及单独去除和回收分解尿液中的磷和部分氮的运行参数进行研究并优化 ， 同时对这两种不同方式去除和回收的操作过程和产物等进行了比较实验。⑴ 影响MAP生成的影响因素（pH、温度、分解尿液体积比）;⑵ 新 鲜 尿液与RO浓水的沉淀反应;⑶ 水 解 尿液与RO浓水的沉淀反应; (三)晶种投加对MAP工艺的影响分别就MAP晶种投加对MAP工艺在进水磷浓度、沉淀时间、Mg2+:PO43--P摩 尔 比等因素的影响进行研究

北京交通大学土木工程建筑学院2015年大创总结报告书4六、项目方案（科学性、创新性、技术可行性、拟解决的问题、成员分工）科 学 性：（拟解决的问题）磷 是 一种非自然游离状态存在的化学元素，对人类的生活和生产有着至 关 重要的作用。而来自于磷矿石的统计和报告结果,人 类 赖以生产磷产品 的 磷矿石数量和质量正在慢慢消耗殆尽,因 此 磷的循环利用变得尤为重要 。 同时，氮元素的存有情况也不容乐观。磷 和 氮主要存在于工业和人类生活废水中。其中厕所排污中的磷含量很高，我国冲厕用水占城市生活用水的35%,随着城市发展,这个比例还在增 大 。在各种典型的生活废水中,尿 液 提供了87%的氮、50%的磷以及54%的钾,所 以 小便池废水回用具有环保和经济的双重效益。这 是 因为人类的尿液是一种复杂的混合溶液,含 有 高浓度的氨氮和磷酸盐,是 生 活污水中氮磷的主要来源之一，氮磷等营养物质是农业肥料的重 要 组分,具 有 回收利用的价值。目前，有研究表明，当前，造成水环境恶 化 特别是水体富营养化的主要原因是水体中的磷含量过高，而人体排泄物 大 量进入水循环系统，造成大量磷元素进入水体又是磷含量过高的直接原 因 。因此，研究并发展从尿液中回收处理氮磷元素，不仅是生产多种磷酸 盐 的实际需要，是发展化工工业的重要环节，同时，对减少尿液无处理直 接 排放所造成的环境污染将产生积极的作用。因此,从 不 同的废水中去除 和 回收氮、磷, 既 可 以达到保护环境的目的,又 能 做到能源回收利用,其 相 关的回收技术引起人们越来越多的重视城 市 污水中的氮、磷浓度通常较低,直接从中回收比较困难而且也不经济,而采用MAP回收法和结晶法处理尿液中的氮磷并实现新利用,具有现实上的科学性。所以从尿液中回收氮 、 磷等营养物质不只是绿色生活、节约资源、循环利用的需要,同时在经 济 上也是可行的创新性N、以废治废。本实验利用废物资源城市尿液与电厂中不易处理的RO浓 水 进行实验，达到以废治废的目的2、资源回收化利用。可以实现将废物中的磷有效的回收利用，减轻P资源不足的现象3、优化实验条件，确定MAP最佳工艺，提高MAP工艺处理效果。晶工艺 用 于回收尿液中氮、磷的最佳应用条件、操作参数、去除和回收方式、

北京交通大学土木工程建筑学院2015年大创总结报告书6尿 液 中同时含有高浓度氮磷，尿液是直接和生活污水混合排放,会使氮 磷 营养物质流失且氮磷负荷增加,所 以 要寻求一种回收氮磷等物质的处理尿液方法。由于尿液中的高浓度 NH4+会对微生物产生抑制作用, C /n很低,采 用 生物法不能达到良好去除氮磷效果。MAP(磷酸铵镁结晶 )沉淀法是向含有废水中添加镁盐,使之反应生成难溶MgNH4PO4·6H2O沉淀的方法。这 是 一种简便易行的物理处理方法，用低成本得到了磷酸铵镁结晶体，而这 种 晶体具有与复合肥相似的氮磷成分,可 以 作为安全农用肥,实 现 了废弃 资 源的再回收利用，实现变废为宝。同时，结晶后的污水由于氮磷含量的 大 幅降低，为下一步的污水处理工作打下了一个良好的基础，可以减少后续的污水处理成本，从水处理的角度上说，MAP法也是是先进水处理技术工 作 中的重要环节。需 要 重视考虑的因素利用MAP法回收和处理人类尿液中的氮磷元素是一项系统性的工程，从 设 备、装置、化学用剂、工业流程等各个环节上都要有精确的计算和精准 的 设置。pH值的确定及分析。由于尿液性质的不稳定性，其pH值会随着时间的变 化 而变化，会对后期的处理方式和用剂量产生影响。因此，要合理确定反 应 曲线，以保证处理效果。反 应 物配比、反应温度、反应时间、沉淀时间以及搅拌速度等影响因素,也是需要重视和考试的因素，不同处理方案的组合，会从不同侧面提升或 降 低处理效果。成 员 分工冯 皓 迪：参与实验工作，督促实验进度，完成进度记录上报。崔 梦 萦：负责实验流程设计，参与实验过程，实验数据记录分析。丁 一 珊：负责实验仪器管理，参与实验过程，实验数据处理统计。七、项目特色与创新点1提出MAP法去除和回收尿液中N和P的最佳工艺；2采 用工业废水作为镁源，达到以废治废；

北京交通大学土木工程建筑学院2015年大创总结报告书9将 该 技术用于奶牛和猪尿液的浓缩纳滤膜处理技术的应用。纳滤膜可以截流很多大分子物质，如蛋白质、杀 虫 剂、合成药化合物以及荷尔蒙等。Pronk等 人 利用不同的纳滤膜对没有 水 解的尿液和合成尿液中微污染物去除进行了实验，结果表明，不同的纳 滤 膜对微污染物都有较好的去除作用。Lind等人和Ban和Dave采用沸石吸附并结合MgO沉淀磷的方式回收尿 液 中的氮和磷。北京交通大学市政与环境实验室进行了尿液MAP最佳优化条件的探究，并 将 进行细致的探索。十 一 、科学意义及应用前景目前有许多关于尿液处理的研究，但在投入实践上有所缺失。MAP工艺凭借其特有的优势在尿液处理领域拥有广阔的前景，却缺乏系统性研究。本课题对尿液中氨氮和磷浓度随时间变化特性、MAP结晶工艺用于回收尿液中氮、磷的最佳应用条件、操作参数、去除和回收方式、MAP工艺回收产物等进行了实验研究、比较、优化和选择，为将来MAP工艺更有效的用于实际尿液中的氮、磷回收提供了必要的设计参数和。研究成果的应用，必将有效减少城镇污水中的氮、磷负荷和氮磷排放，实现氮、磷的可持续利 用 循环。十 二 、完成情况探究得出了尿液在自然水解过程中初始pH值不同对于水解过程pH、氨氮、总磷含量的影响规律；同时也得出了，尿液温度对以上三个方面的影响 结 果。我们以RO浓水作为镁源，对尿液进行了处理，探究初始pH、沉淀时间、搅拌速度对于氨氮和总磷的去除率的影响,分别找到反应的最适pH、最佳沉淀 时 间和搅拌速度。将氯化镁作为镁源，得出了物料投加比例、沉淀时间、搅拌速度、初始pH对氨氮、总磷去除率的影响规律。