張, 明楊

九州大学学術情報リポジトリ

Kyushu University Institutional Repository

熱処理による活性汚泥からのリン抽出とストラバイ トとしてのその回収

張, 明楊

https://doi.org/10.15017/1441212

出版情報：Kyushu University, 2013, 博士（工学）, 課程博士 バージョン：

権利関係：Fulltext available.

（様式

氏 名 張 明 楊

論文題名 Phosphorus Release  from Sewage Sludge  by Thermal Treatment  and Recovery a s  S t r u v i t e  

（熱処理による活性汚泥からのリン抽出とストラバイトとしてのその回収）

区 分 甲

論 文 内 容 の 要

P h o s p h o r u s  i s   a n  i r r e p l a c e a b l e  n u t r i e n t  e l e m e n t  which i s   s i g n i f i c a n t  c o m p o s i t i o n  t o   b u i l d  t h e  g e n e t i c   m a t e r i a l s  s u c h  a s  D e o x y r i b o n u c l e i c  Acid (DNA) a n d  R i b o n u c l e i c  Acid (RNA). B e c a u s e  o f  wide a p p l i c a t i o n   o f  p h o s p h o r u s  i n  a g r i c u l t u r e ,  a n d  n o n ‑ r e n e w a b l e  c h a r a c t e r i s t i c ,  t h e s e  f a c t o r s  h a v e  r e s u l t e d  i n   s h o r t a g e  c r i s i s   a l l   o v e r  t h e  w o r l d .  On t h e  o t h e r  h a n d ,  e x c e s s  d i s c h a r g e  o f  p h o s p h a t e  compounds i n t o  n a t u r a l  w a t e r  b o d i e s   h a s   i n d u c e d   s e r i o u s   e n v i r o n m e n t a l   p r o b l e m s   l i k e   a l g a e   blooms a n d   e u t r o p h i c a t i o n ,   which make l a r g e   economic l o s s e s  t o  o u r  s o c i e t y .  B e c a u s e  o f  t h e s e  e f f e c t i v e  f a c t o r s ,  p h o s p h o r u s  r e c o v e r y  h a s  b e e n  r e s e a r c h i n g   h o t  s p o t .   A c t i v a t e d  s l u d g e  a p p l i e d  i n   t h e  w a s t e w a t e r  t r e a t m e n t  p l a n t  (WWTP) c a n  a c c u m u l a t e  m a s s i v e   p h o s p h o r u s  e l e m e n t  d u r i n g  a e r o b i c  p r o c e s s  a s  i n t r a c e l l u l a r  p o l y ‑ p h o s p h a t e ,  a n d  t h i s  p r o v i d e s  p o t e n t i a l i t y  t o   r e c o v e r  p h o s p h o r u s  f r o m  a c t i v a t e d  s l u d g e  a n d  r e p l a c e  p a r t i a l  p h o s p h a t e  r o c k s  i n  t h e  m a r k e t .  

By c o n v e n t i o n a l  m e t h o d s ,  t h e r e  a r e  two p o s s i b i l i t i e s  t o  r e c o v e r  p h o s p h a t e  f r o m  m u n i c i p a l  w a s t e w a t e r :   r e c o v e r y  i n   w a s t e w a t e r  t r e a t m e n t  o r  f r o m  g e n e r a t e d  s l u d g e  which a c c u m u l a t e s  l o t s   o f  p h o s p h a t e  d u r i n g   t r e a t m e n t .  I n  p r e s e n t  s t u d y ,  sewage s l u d g e  a t  t h e  e n d  o f  a e r a t i o n  t a n k  was c o l l e c t e d  f r o m  WWTP  which u s e d   a n a e r o b i c / a e r o b i c  t e c h n i q u e  t o  remove p h o s p h o r u s  f r o m  w a s t e w a t e r ,  b e c a u s e  a c t i v a t e d  s l u d g e  c a n  r e l e a s e   p h o s p h o r u s  i n t o  l i q u i d  p h a s e  i n  a n a e r o b i c  c o n d i t i o n  t h e n  u p t a k e  e x c e s s  p h o s p h a t e  s a v e d  a s  p o l y ‑ p h o s p h a t e   i n s i d e  b o d i e s .  A f t e r  t h i s   s t e p ,   sewage s l u d g e  s a m p l e s  w e r e  h a n d l e d  w i t h  t h e r m a l  t r e a t m e n t  r a n g e d  from  5 0 ‑ 9 0

f o r  5 0 ‑ 1 0 0  m i n u t e s .  The p u r p o s e  o f  t h i s  s t u d y  i s   t o   i d e n t i f y  t h e  p e r f o r m a n c e  o f  a c t i v a t e d  s l u d g e   d u r i n g  t h e r m a l  t r e a t m e n t  w h e t h e r  a c t i v a t e d  s l u d g e  c o l l e c t e d  f r o m  WWTP c a n  r e l e a s e  much i n t r a c e l l u l a r   p o l y ‑ p h o s p h a t e   i n t o   s u p e r n a t a n t ;   t h e n   r e l e a s e d   p o l y ‑ p h o s p h a t e   mixed  w i t h   o r t h o p h o s p h a t e   c a n   b e   c r y s t a l l i z e d  a s  p r o d u c t  i n c l u d i n g  p h o s p h o r u s .  

T h i s  d i s s e r t a t i o n  c o n s i s t s  o f  f i v e  c h a p t e r s  a s  f o l l o w s :  

C h a p t e r   I  i l l u s t r a t e d   t h e   i m p o r t a n c e  o f  p h o s p h o r u s  e l e m e n t  t o   a l l   l i v e s   i n   t h e   w o r l d .   R e a s o n s  o f   s h o r t a g e  c r i s i s   on p h o s p h o r u s  h a d  b e e n  a n a l y z e d ;  meanwhile many e n v i r o n m e n t a l  p r o b l e m s  i n d u c e d  by  e x c e s s  d i s c h a r g e  o f  p h o s p h a t e  compounds h a d  b e e n  i n t r o d u c e d .   B e c a u s e  o f  t h e s e  f a c t o r s ,   n e c e s s i t y   o f   p h o s p h o r u s  r e c o v e r y  h a d  b e e n  e m p h a s i z e d  f o r  s u s t a i n a b l e  d e v e l o p m e n t .  F i n a l l y ,  t h e  o b j e c t i v e s  a n d  s t r u c t u r e   o f  t h i s  d i s s e r t a t i o n  were e x p l a i n e d .  

I n  C h a p t e r  2 ,  p e r f o r m a n c e  o f  p o l y ‑ p h o s p h a t e  r e l e a s e  f r o m  sewage s l u d g e  d u r i n g  t h e r m a l  t r e a t m e n t  h a d  

b e e n  i l l u s t r a t e d .  I n  o r d e r  t o  f i n d  t h e  o p t i m a l  p a r a m e t e r s  f o r  p o l y ‑ p h o s p h a t e  r e l e a s e  d u r i n g  t h e r m a l  t r e a t m e n t ,  

d i f f e r e n t  t e m p e r a t u r e s  a n d  h e a t i n g  t i m e  h a d  b e e n  t e s t e d .  H i g h e r  t e m p e r a t u r e  a n d  l o n g e r  h e a t i n g  t i m e  c a n  

i m p r o v e  r e l e a s e  o f  p o l y ‑ p h o s p h a t e .  B e c a u s e  t h e  r e l e a s e  e x t e n t  o f  p o l y ‑ p h o s p h a t e  was n o t  i d e a l  a s  i n t r o d u c e d  

i n   p r e v i o u s  r e s e a r c h  w i t h  c u l t i v a t e d  s l u d g e ,  o n l y  30% p o l y ‑ p h o s p h a t e  and 29% t o t a l  p h o s p h a t e  c o u l d  b e   r e l e a s e d  from sewage s l u d g e  d u r i n g  t h e r m a l  t r e a t m e n t .  Thus d i f f e r e n t  k i n d s  of p r e t r e a t m e n t s  i n c l u d e  pH  a d j u s t m e n t  a n d  a d d i t i o n  of c h e l a t i n g  r e a g e n t  had been t e s t e d .  By c o m p a r i s o n ,  c h e l a t i n g  r e a g e n t  l i k e  EDTA  c a n   improve  p o l y p h o s p h a t e   r e l e a s e   from  sewage  s l u d g e   a f t e r   t h e r m a l   t r e a t m e n t   o b v i o u s l y ,   and  68% 

p o l y p h o s p h a t e  and 53% t o t a l  p h o s p h a t e  c o u l d  b e  r e l e a s e d  i n t o  s u p e r n a t a n t .  I n  o r d e r  t o  r e c o v e r  p h o s p h o r u s ,   p r e c i p i t a t i o n  o f  p o l y ‑ p h o s p h a t e  and Ca had been e x a m i n e d ;  l o t s   o f  p r e c i p i t a n t  c a n  b e  o b s e r v e d  a t   pH 1 0 ,   some p r e c i p i t a t i o n  c a n  a l s o  b e  o b s e r v e d  i n  n e u t r a l  c o n d i t i o n .  

As i n t r o d u c e d   i n   C h a p t e r   2 ,   r e l e a s e   e x t e n t  of p o l y ‑ p h o s p h a t e  from sewage s l u d g e  d u r i n g  t h e r m a l   t r e a t m e n t  was n o t  i d e a l ;  t h e  impediment f a c t o r s  on p o l y ‑ p h o s p h a t e  r e l e a s e  had been i n v e s t i g a t e d  i n  c h a p t e r   3 .   Because sewage s l u d g e  g e n e r a t e d  by WWTP  c o n t a i n e d  a  v a r i e t y  of m e t a l  c a t i o n s  s u c h  a s  M g 2 + ,  C a 2 + ,  A l 3 +   and F e 3 +  which c a n  form p o o r l y  s o l u b l e  compounds w i t h  p h o s p h a t e ,  t h i s  may r e s u l t  i n  d i f f e r e n t  p e r f o r m a n c e   compared w i t h  p a s t   r e s e a r c h   which u s e d  c u l t i v a t e d   s l u d g e  w i t h   a d d i t i o n   of n e c e s s a r y   m e t a l   e l e m e n t s .   Through s e r i e s   e x p e r i m e n t s ,   m e t a l   c a t i o n s   e x i s t e d   i n   t h e   w a s t e w a t e r   p o s s i b l y   p r e v e n t   t h e   r e l e a s e   o f   p o l y ‑ p h o s p h a t e .  A r t i f i c i a l  a d d i t i o n  of e x c e s s  m e t a l  s a l t s  i n t o  s l u d g e  s a m p l e s  d e p i c t e d  p r e v e n t i o n  e f f e c t  on  p o l y ‑ p h o s p h a t e  r e l e a s e .  F l u x i o n  of m e t a l  i o n s  i n s i d e  and o u t s i d e  m i c r o o r g a n i s m  d u r i n g  t h e r m a l  t r e a t m e n t   c o u l d  p r o v i d e  p r o o f  t o  e s t i m a t e  impediment e f f e c t  of m e t a l  i o n  on p o l y ‑ p h o s p h a t e  r e l e a s e  b e c a u s e  of t h e   c o n c e n t r a t i o n  c h a n g e s  o f  M g 2 + ,  C a 2 + ,  A l 3 +  and F e 3 +  b e f o r e  and a f t e r  t h e r m a l  t r e a t m e n t  i n s i d e  and o u t s i d e   m1croorgamsm. 

I n  C h a p t e r  4 ,   p o l y ‑ p h o s p h a t e  c r y s t a l l i z e d  w i t h  magnesium and ammonium ( n e c e s s a r y  component f o r   s t r u v i t e  f o r m a t i o n )  had b e e n  o b s e r v e d  i n  e x p e r i m e n t s .  I n  o r d e r  t o  i d e n t i f y  t h e  f o r m a t i o n  of e l e m e n t s  i n  t h e   p r e c i p i t a n t ,  XRD and EDX a n a l y s i s  had b e e n  e m p l o y e d .  A f t e r  c o m p a r i s o n  w i t h  s t r u v i t e  i n   d a t a b a s e ,  t h i s   w h i t e  p r e c i p i t a n t  c o u l d  b e  c o n f i r m e d  a s  s t r u v i t e  which was a  p h o s p h a t e  m i n e r a l  b e c a u s e  of v e r y  s i m i l a r   s p e c t r u m .   L i t t l e   r e s e a r c h  had m e n t i o n e d  t h i s   phenomenon. Advantages of p o l y ‑ p h o s p h a t e  a b o u t  s t r u v i t e   f o r m a t i o n   h a d   b e e n   i n t r o d u c e d   by  compared  w i t h   o r t h o ‑ p h o s p h a t e ,   b e c a u s e   p o l y ‑ p h o s p h a t e   c a n   b e   c r y s t a l l i z e d  a t  l o w e r  pH and w i t h  l e s s  a d d i t i o n  o f  Mg. Because N and P  were b o t h  n u t r i e n t  e l e m e n t s  f o r  t h e   growth of c r o p s ,  s t r u v i t e  i n c l u d i n g  N and P  was c h o s e n  a s  c r y s t a l l i z e d  p r o d u c t  r a t h e r  t h a n  h y d r o x y a p a t i t e   i n c l u d i n g  o n l y  P .  

I n  C h a p t e r  5 ,  main c o n c l u s i o n s  of t h e r m a l  t r e a t m e n t  and c r y s t a l l i z a t i o n  a s  s t r u v i t e  w i t h  p o l y ‑ p h o s p h a t e  

h a d  b e e n  s u m m a r i z e d .  A c t i v a t e d  s l u d g e  c a n  r e l e a s e   p o l y ‑ p h o s p h a t e  d u r i n g  t h e r m a l  t r e a t m e n t  had b e e n  

c o n f i r m e d ,  f u r t h e r m o r e  p o l y ‑ p h o s p h a t e  c a n  b e  c r y s t a l l i z e d  a s  s t r u v i t e ,  t h i s  was a  n o v e l  f i n d i n g .  P r a c t i c a l  

a p p l i c a t i o n  o f  r e c o v e r e d  p h o s p h a t e  had b e e n  e s t i m a t e d ,  even t h o u g h  r e c o v e r e d  p h o s p h a t e  p r o d u c t s  n e e d e d  

more  c o s t ,   i t   c a n   b e   s t i l l   judged  a s   a f e a s i b l e   method  t o   r e l i e v e   s h o r t a g e   c r i s i s   of p h o s p h o r u s   i f  

e n v i r o n m e n t a l  i m p a c t s  c o u l d  b e  t a k e n  i n t o  a c c o u n t .