Modelling of sediment precipitation containing struvite from aqueous solutions on the inner walls of steel pipelines

The complexity and uncontrolled formation of struvite (MgNH₄PO₄·6H₂O) and its deposition in the technological equipment of wastewater treatment plants (WWTPs) are still the subject of research aimed at understanding the causes and proposing a remedial action. In order to reduce the intensity of the precipitation of struvite in wastewater treatment plants, it is recommended, among others, to limit flow velocity to below 1.5 m·s^-1. Literature analysis showed that there are no studies on the precipitation of struvite deposits in pipelines. Most studies focus on the deliberate precipitation of struvite, for example phosphorus recovery, resulting in a molar ratio of 1:1:1 (NH₄⁺:PO₄ ^3-:Mg²⁺). In fact, in WWTPs, such concentrations do not occur, but there have been cases of the precipitation of this mineral (and its mixtures) in the sludge parts. In this paper, the study aimed at determining conditions for the precipitation of deposits with a significant participation of struvite on the inner walls of steel pipes. The study was conducted at a non-stoichiometric concentration of ingredients at different pH values, as well as under dynamic conditions with flow velocity below 1.5 m·s^-1. A mathematical formula (ANOVA) that can be used to determine the mass of deposits in relation to the concentration of ammonium, phosphate, pH and flow velocity was developed. Computational models were developed on to investigate struvite precipitation under different pH levels (8.0–9.5) and ionic concentrations. The studies were carried out on solutions containing ammonium (NH₄ ⁺), phosphate (PO₄ ^3-), and magnesium (Mg²⁺), at a flow velocities of 0.4, 0.9 and 1.4 m·s^-1. In order to determine the mathematical formula thanks to which the mass of precipitates can be determined, a special pilot study installation was constructed. The XPS surface analysis of sludge from sewage treatment plants showed a similar composition of compounds with sediments obtained in own research. The presence of struvite was suggested, but the share of atomic percentage of bonds to which struvite was classified is small and amounts to less than 4%. This means that sediments precipitated in the technological installations are a mixture of various compounds of which pure struvite may constitute only a small part.

Złożoność i niekontrolowane powstawanie struwitu (MgNH₄PO₄·6₂O) oraz jego osadzanie w urządzeniach technologicznych oczyszczalni ścieków jest nadal przedmiotem badań mających na celu zrozumienie przyczyn i zaproponowanie działań zaradczych. W celu zmniejszenia intensywności wytrącania struwitu w oczyszczalniach ścieków zalecano między innymi ograniczenie prędkości przepływu poniżej 1,5 m·s^-1. Analiza literatury wykazała, że nie ma badań dotyczących wytrącania struwitu w rurociągach stalowych. Większość badań koncentruje się na umyślnym wytrącaniu struwitu, na przykład w celu odzysku fosforu, doprowadzając do stosunku molowego 1:1:1 (NH₄:PO₄:Mg). W rzeczywistości w oczyszczalniach ścieków takie stężenia nie występują, ale zdarzały się przypadki wytrącania tego minerału (i jego mieszanin) w częściach osadowych. W pracy podjęto próbę określenia warunków występowania osadów z udziałem struwitu na wewnętrznych ścianach rur stalowych. Badanie przeprowadzono przy niestechiometrycznym stężeniu składników przy różnych wartościach pH, a także w warunkach dynamicznych z prędkością przepływu poniżej 1,5 m·s-1. Opracowano wzór matematyczny (ANOVA), który można wykorzystać do określenia masy osadów w zależności od stężenia amonu, fosforanu, pH i prędkości przepływu. Opracowano modele obliczeniowe do badania wytrącania struwitu i jego mieszanin przy różnych poziomach pH (8,0–9,5) i stężeniach jonowych. Badania prowadzono na roztworach zawierających jony, w tym amonu (NH4⁺), fosforanu (PO₄^3-), magnezu (Mg²⁺) oraz prędkości przepływu (0,4; 0,9 i 1,4 m·s^-1). Następnie wyznaczono formułę matematyczną w oparciu o badania wyzyskane w warunkach przepływowych na specjalnie skonstruowanej instalacji. Analiza powierzchniowe osadów mineralnych z oczyszczalni ścieków wykazała podobny skład z osadem uzyskanym w badaniach własnych. Sugerowano istnienie struwitu, ale procent udziału atomowego połączeń, do których sklasyfikowano struwite jest mały i wynosi mniej niż 4%. Oznacza to, że osady powstające w obiektach technologicznych oczyszczalni ścieków są mieszaniną różnych związków, w których czysty struwit może stanowić tylko niewielką część.