论文在全面评述从污水中回收磷的理论和技术的基础上,认为羟基磷灰石结晶法磷回收技术在理论上能够以侧流的形式辅助生物除磷系统,一方面实现磷资源的回收,另一方面可以避免城市污水低碳源对生物除磷系统产生的影响。根据(羟基)磷酸钙的沉淀动力学,在含磷溶液中,晶种的投加可显著提高羟基磷灰石的结晶反应速率,这在工程应用中具有非常重要的意义。因此,晶种是羟基磷灰石结晶法回收磷的关键因素。现有研究发现,水化硅酸钙具有在弱碱性条件下溶解Ca2+与OH-的能力,因此具有作为晶种以羟基磷灰石的形式从污水中回收磷的潜能。根据溶解动力学方程,认为作为羟基磷灰石结晶法的晶种,水化硅酸钙应具有较大的比表面积和丰富的孔隙结构。目前已报道的水化硅酸钙晶种主要包括雪硅钙石以及硬硅钙石。但是,这两种材料主要用作硅酸钙保温隔热材料、防火材料、绝热材料等,其制备方法主要是针对材料的体积密度、导热系数以及保温隔热性能,而不是材料的溶钙供碱性能。可见现有水化硅酸钙与羟基磷灰石结晶法的晶种所需的理化性质不相符合,其合成方法也不适于制备具有溶钙供碱性能的晶种。论文针对传统化学混凝沉淀除磷方法的操作方式复杂、运行成本较高,以及羟基磷灰石结晶法的晶种利用效率低等系列问题,创新地提出并研究了基于多孔水化硅酸钙的羟基磷灰石结晶法磷回收技术。基于水热合成法的优势与基本原理,制备了具有溶钙供碱特性的多孔水化硅酸钙,并开发一套具有流化床特点的内循环磷回收反应器,构建一个以多孔水化硅酸钙为晶种的羟基磷灰石结晶法磷回收系统,从而实现以羟基磷灰石的形式从污水中回收磷。　　论文对多孔水化硅酸钙的制备方法以及磷回收系统的构建进行了系统的研究,主要内容包括:分析制备多孔水化硅酸钙所需的钙质与硅质原料的理化性质特征,并据此筛选原料;通过动态水热合成法制备水化硅酸钙,重点关注合成条件对水化硅酸钙的微观结构、溶钙供碱性能与磷回收性能的影响;以聚乙二醇对水化硅酸钙进行多孔结构改性与磷回收性能优化,并研究其改性机理;以聚乙二醇对硅质原料(白碳黑)进行改性,以提高其在低水热合成温度下的反应活性,从而探索在相对温和条件下制备具有较高磷回收性能的水化硅酸钙;基于羟基磷灰石的结晶成核原理,设计与开发具有流化床特点的内循环磷回收反应器,并评价该系统的磷回收性能。得到了以下主要结论:　　1)在选取钙质与硅质原料时发现,电石渣作为一种难以处理的工业废弃物,其CaO含量在75％以上,可以作为制备水化硅酸钙的钙质原料。以白碳黑、硅灰、硅藻土、硅胶筛选硅质材料与钙质原料电石渣制备水化硅酸钙,并考察了水化硅酸钙的磷回收性能。白碳黑具有较强的反应活性,以白碳黑为硅质原料所制备的水化硅酸钙在重复除磷6次后,磷回收产物中的磷含量达到15.05%。白碳黑提供的骨架结构,使得水化硅酸钙具有一定的强度,能够承受一定的水力负荷,不至于坍塌。获得的颗粒状的水化硅酸钙更便于回收。　　2)在研究水化硅酸钙的水热合成时发现,钙硅摩尔比对水化硅酸钙的磷回收性能具有显著的影响。钙硅摩尔比过小,容易形成富硅层,阻塞水化硅酸钙的孔隙结构,钙硅摩尔比过大,易形成Ca(OH)2。钙硅比为1.6:1时制备的水化硅酸钙性能最佳,在反应时间为60min、投加量4g/L时除磷效率为91.45%,重复利用15次以后,沉积物中含磷量达到15.64%,该材料的比表面积为113m2/g,孔容积为0.52cm3/g。反应温度为170℃最适于制备具有磷回收性能的水化硅酸钙,该材料在重复除磷15次后沉积物中磷含量达到15.51%。经XRD分析,水热反应温度过低,白碳黑中的SiO2不易溶解,在材料表面易形成富硅层,对材料的孔隙造成阻塞,影响材料的溶钙供碱能力,这是导致材料磷回收性能减弱的关键原因。反应温度过高,使得水化硅酸钙系统不稳定,并存在较多杂质,从而影响了样品的磷回收性能。用IDDES作为湍流模型揭示了水化硅酸钙在复杂流态下的形成过程。在搅拌强度为90r/min时,所制备的水化硅酸钙(具有较大的比表面积与孔容积,较小的粒径与较低的结晶度)具有较好的溶解性能及磷回收潜能。展现了一种有效的方法来定义水化硅酸钙在复杂流态下的形成机理,对于制备具有溶钙供碱特性的多孔水化硅酸钙提供了重要的试验依据。　　3)在研究聚乙二醇水对水化硅酸钙进行多孔改性和磷回收性能优化时发现,水化硅酸钙孔隙结构较为致密的主要原因,是在其形成过程中存在颗粒的团聚现象。聚乙二醇改性水化硅酸钙的主要机理,是该聚合物进入到水化硅酸钙的硅氧四面体链的缺陷部位,或者进入层间。锚固基团可以吸附于水化硅酸钙颗粒表面,而溶剂化链在介质中充分扩展,形成位阻层来阻止固体粒子的絮凝团聚,达到空间位阻作用。聚乙二醇的改性使得水化硅酸钙的粒径减小,结晶度降低,比表面积和孔容积增大,从而提高了水化硅酸钙的溶钙供碱性能。当聚乙二醇的分子量为2000,质量浓度为0.6%时,改性后的水化硅酸钙回收磷后,产物中的磷含量可达16%以上,可作为含磷矿物加以利用。　　4)在温和条件下制备多孔水化硅酸钙时发现,在较低的水热反应温度(110°C)条件下,制得了具有多孔结构的水化硅酸钙,这种材料具有高的磷回收性能。该水化硅酸钙的多孔结构的形成机理主要涉及以下几个步骤:　　a.在超声波的空化作用下,PEG2000分子进入具有中孔结构的SiO2中,使得SiO2的Si-O-Si的键能变弱,SiO2的活性增强;　　b.PEG2000的插层作用,使得水化硅酸钙分子的层间距增大,并阻止了水化硅酸钙形成过程中的颗粒团聚。这种多孔结构有利于水化硅酸钙中Ca2+与OH-的溶出。　　这种低水热反应温度条件为具有磷回收性能的水化硅酸钙的制备提供了一种方便、有效的方法。制备的多孔水化硅酸钙,作为一种环境功能材料,具有应用于从污水中回收磷的潜能,从而解决磷资源短缺所带来的环境问题。　　5)基于羟基磷灰石在晶种表面的结晶成核原理,反应器设计了内外双筒结构,内筒中包含了混合反应区、结晶反应区、离心固液分流区,初次进入含磷废水中的水化硅酸钙晶种,基于羟基磷灰石的初次成核原理,能够有效回收高浓度的磷,形成羟基磷灰石晶核;外筒中包含了晶种回流区,回收至内筒的晶核,基于二次成核原理,有利于促进低浓度的磷在晶核表面结晶形成羟基磷灰石晶体。　　依靠多孔水化硅酸钙的溶钙供碱性能,磷回收系统能够在不外加钙盐及调节pH的条件下具有较好的运行效果,该系统适于从高浓度(30mg/L)的含磷废水中回收磷,晶种投加量在1g/L左右、搅拌强度在80r/min、水力停留时间在60min较为适宜多孔水化硅酸钙的磷回收过程,经初步核算,系统的磷回收效率达到80%左右。磷回收产品主要为羟基磷灰石,产品中的磷含量(14.43%)已基本接近含磷矿物中的磷含量(15%)。系统出水的pH值在7.5~8.0,出水磷浓度低于5mg/L,能够与生物除磷水质相匹配,该系统理论上可以侧流的方式在厌氧释磷池的后端嵌入生物除磷系统中。