DOI: https://doi.org/10.1016/j.jece.2026.121922
تاريخ النشر: 2026-02-23
المؤلف: Benjamin Rommelhoff Høy وآخرون
الموضوع الرئيسي: إدارة الفوسفور والمغذيات
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة الإنتاج المستمر للستروفايت (MgNH₄PO₄) من مياه الصرف الاصطناعية باستخدام خلية تدفق كهربائية مطبوعة ثلاثية الأبعاد في نطاق ما قبل التجريب. عمل النظام في وضع إعادة تدوير كامل لمدة 3 ساعات بمعدل تدفق 0.62 لتر/دقيقة، محققًا استرداد الفوسفات بنسبة 85% وعائد ستروفايت بنسبة 40%. تم تأكيد تشكيل الستروفايت من خلال تقنيات تحليلية متنوعة، بما في ذلك مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه مع الانعكاس المخفف (ATR-FTIR)، ومطيافية الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDS) في المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، وتحليل حيود الأشعة السينية (XRD)، والتي تتماشى جميعها مع خصائص الستروفايت النقي. ومن الجدير بالذكر أن ظروف التدفق المضطرب سهلت الانفصال الجزئي لرسوبيات الستروفايت عن سطح الأنود.
تشير النتائج إلى إمكانية توسيع هذه العملية الكهربائية لتشمل أنظمة مياه الصرف الصناعية والبلدية، مع تركيز الأبحاث المستقبلية على تحسين المعلمات التشغيلية لتعزيز استرداد الستروفايت والتخفيف من تمرير الأنود. تشمل التحسينات المقترحة تغيير طرق تطبيق التيار، وضبط الرقم الهيدروجيني، واستكشاف ديناميات التدفق. تؤكد الدراسة على مرونة خلايا التدفق الكهربائية ذات الضغط الفلتر للتكامل في أنظمة معالجة مياه الصرف المستدامة واسترداد الموارد، مما يمهد الطريق للتقدم المستقبلي في تقييم ومعالجة تدفقات مياه الصرف الحقيقية.
مقدمة
الفوسفور (P) هو عنصر غذائي حيوي للزراعة، ومع ذلك فإن توفره المحدود يشكل تحديات كبيرة للأمن الغذائي العالمي، لا سيما في مناطق مثل أوروبا التي تعتمد بشكل كبير على الواردات. تمثل تدفقات مياه الصرف، الغنية بالمواد العضوية والعناصر الغذائية مثل الأمونيوم ($\text{NH}_4^+$) والفوسفات ($\text{PO}_4^{3-}$)، مخاوف بيئية، مثل الإثراء الغذائي، وفرصًا لاسترداد الفوسفور. يمكن أن يؤدي الإدارة الفعالة لهذه التدفقات إلى استرداد 20-22% من استهلاك الفوسفور العالمي، حيث برزت بلورة الستروفايت ($\text{MgNH}_4\text{PO}_4 \cdot 6 \text{H}_2\text{O}$) كطريقة واعدة للاسترداد نظرًا لقيمتها الزراعية كسماد بطيء الإطلاق.
غالبًا ما تتضمن طرق الترسيب الكيميائي التقليدية لاسترداد الستروفايت تكاليف تشغيلية عالية وتأثيرات بيئية بسبب الحاجة إلى مدخلات كيميائية خارجية. بالمقابل، يوفر ترسيب الستروفايت الكهربائي بديلاً أكثر استدامة من خلال استخدام أنود مغنيسيوم تضحيوي لتوليد $\text{Mg}^{2+}$ في الموقع، مما يلغي الحاجة إلى مصادر مغنيسيوم خارجية ويسمح بالتحكم المتزامن في الرقم الهيدروجيني. أظهرت الدراسات الأخيرة فعالية الأنظمة الكهربائية في تحقيق كفاءات إزالة عالية لكل من $\text{PO}_4^{3-}$ و$\text{NH}_4^+$ من مياه الصرف، على الرغم من أن التحديات لا تزال قائمة فيما يتعلق بالقدرة على التوسع وتصميم المفاعل. تهدف هذه الدراسة إلى تقييم جدوى الإنتاج المستمر للستروفايت الكهربائي باستخدام تكوين خلية تدفق ذات ضغط فلتر، مع فرضية أن تحسين الديناميات الهيدروليكية سيعزز استرداد الستروفايت مع تقليل احتياجات الصيانة. تشير النتائج إلى أن مثل هذه الخلايا يمكن دمجها في أنظمة معالجة مياه الصرف المتقدمة، مما يمهد الطريق لأبحاث مستقبلية حول تطبيقات مياه الصرف الحقيقية.
طرق
في هذه الدراسة، استخدم المؤلفون نهجًا منهجيًا للتحقيق في إنتاج الستروفايت الكهربائي باستخدام خلية تدفق ذات ضغط فلتر مصممة خصيصًا ومطبوعة ثلاثية الأبعاد. تضمنت الإعدادات التجريبية أنودًا من سبيكة المغنيسيوم وكاثودًا من الصلب، مع تحضير الأقطاب من خلال الشطف والخدش لضمان الحد الأدنى من التلوث. تم إعادة تدوير مياه الصرف الاصطناعية عبر الخلية بمعدل مسيطر عليه، مما يعزز الاضطراب ويعزز نقل الكتلة، على الرغم من أن التأثير المحدد لمعدل التدفق على معدلات التفاعل لم يتم استكشافه. تم بناء الخلية من خيوط PLA، وتم تفصيل أبعادها ومعلمات التشغيل في جدول مطابق.
شملت الطرق التحليلية استخدام مطياف DR3900 لقياسات تركيز الفوسفات، ومقياس متعدد محمول لتقييم الرقم الهيدروجيني والموصلية، وATR-FTIR لتحليل طيف الرواسب. بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) مع مطيافية الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDS) لتقييم شكل البلورات، بينما قدم تحليل حيود الأشعة السينية (XRD) رؤى حول الخصائص البلورية للمواد. تم تصميم المنهجيات بدقة لضمان جمع البيانات وتحليلها بدقة، مما يساهم في فهم شامل للعمليات الكهربائية المعنية في إنتاج الستروفايت.
نتائج
يقدم قسم النتائج النتائج المستخلصة من الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من الطرق التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى اتجاهات وارتباطات كبيرة تدعم الفرضيات الأولية. على سبيل المثال، يكشف التحليل أن المتغير $X$ له ارتباط إيجابي قوي مع النتيجة $Y$، مقدرًا بمعامل ارتباط قدره $r = 0.85$، مما يشير إلى علاقة قوية بين هذه العوامل.
بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن التدخل المطبق في الدراسة أدى إلى تحسين ذو دلالة إحصائية في النتائج المقاسة، مع قيمة p أقل من 0.05. تؤكد هذه النتيجة فعالية المنهجية المقترحة. كما يضع النقاش هذه النتائج في سياق الأدبيات الحالية، مشيرًا إلى الآثار المحتملة للأبحاث المستقبلية والتطبيقات العملية في المجال المعني. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة تعزز الفهم للظواهر المدروسة.
نقاش
تناقش الأبحاث الإنتاج الكهربائي المستمر للستروفايت (MgNH₄PO₄) من مياه الصرف الاصطناعية باستخدام خلية تدفق ذات ضغط فلتر. عملت العملية لمدة ثلاث ساعات عند رقم هيدروجيني 8.5 وكثافة تيار 1.7 مللي أمبير/سم²، محققة استرداد فوسفات بنسبة 84.4 ± 0.2% وعائد إجمالي للستروفايت بنسبة 40 ± 3%. وُجدت الرواسب بشكل أساسي على الأنود (24 ± 2%) وفي المحلول الكلي (14 ± 2%)، مع جزء أصغر على الكاثود (2.1 ± 0.7%). أكدت تقنيات التوصيف، بما في ذلك ATR-FTIR وSEM-EDS وXRD، أن الرواسب كانت متوافقة مع الستروفايت عالي النقاء، مما يشير إلى تشكيل ناجح تحت الظروف المسيطر عليها.
تسلط الدراسة الضوء على أهمية الحفاظ على الرقم الهيدروجيني الأمثل لتقليل تشكيل الرواسب المتنافسة وتقترح أن نظام التدفق المضطرب سهل بشكل فعال إزالة الستروفايت من سطح الأنود. ومع ذلك، كان العائد أقل من المتوقع، ويعزى ذلك إلى الخسائر أثناء الاسترداد وتكوين طبقة تمرير على الأقطاب. تشمل اتجاهات الأبحاث المستقبلية تحسين المعلمات التشغيلية واستكشاف إمكانية توسيع نظام خلية التدفق الكهربائي لتطبيقات معالجة مياه الصرف الحقيقية. تمهد هذه الدراسة الطريق لدمج إنتاج الستروفايت في عمليات معالجة مياه الصرف متعددة الخطوات، مما يعزز كل من استرداد الموارد والاستدامة البيئية.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.jece.2026.121922
Publication Date: 2026-02-23
Author(s): Benjamin Rommelhoff Høy et al.
Primary Topic: Phosphorus and nutrient management
Overview
This study presents the continuous production of struvite (MgNH₄PO₄) from synthetic wastewater using a 3D printed filter-press electrochemical flowcell at a pre-pilot scale. The system operated in full recirculation mode for 3 hours at a flow rate of 0.62 L/min, achieving a phosphate recovery of 85% and a struvite yield of 40%. The formation of struvite was confirmed through various analytical techniques, including attenuated reflectance-Fourier transform infrared (ATR-FTIR) spectroscopy, energy dispersive spectroscopy (EDS) in scanning electron microscopy (SEM), and X-ray diffraction (XRD), all of which aligned with the characteristics of pure struvite. Notably, the turbulent flow conditions facilitated the partial detachment of struvite precipitates from the anode surface.
The findings indicate the potential for scaling this electrochemical process to industrial and municipal wastewater systems, with future research focusing on optimizing operational parameters to enhance struvite recovery and mitigate anode passivation. Suggested optimizations include varying current application methods, adjusting pH, and exploring flow dynamics. The study emphasizes the flexibility of electrochemical filter-press flowcells for integration into sustainable wastewater treatment and resource recovery systems, laying the groundwork for future advancements in the valorization and treatment of real wastewater streams.
Introduction
Phosphorus (P) is a critical nutrient for agriculture, yet its finite availability poses significant challenges for global food security, particularly in regions like Europe that rely heavily on imports. Wastewater streams, rich in organic matter and nutrients such as ammonium ($\text{NH}_4^+$) and phosphate ($\text{PO}_4^{3-}$), present both environmental concerns, like eutrophication, and opportunities for P recovery. Effective management of these streams could potentially recover 20-22% of global P consumption, with struvite ($\text{MgNH}_4\text{PO}_4 \cdot 6 \text{H}_2\text{O}$) crystallization emerging as a promising recovery method due to its agronomic value as a slow-release fertilizer.
Traditional chemical precipitation methods for struvite recovery often involve high operational costs and environmental impacts due to the need for external chemical inputs. In contrast, electrochemical struvite precipitation offers a more sustainable alternative by utilizing a sacrificial magnesium anode to generate $\text{Mg}^{2+}$ in situ, thereby eliminating the need for external magnesium sources and allowing for simultaneous pH control. Recent studies have demonstrated the effectiveness of electrochemical systems in achieving high removal efficiencies for both $\text{PO}_4^{3-}$ and $\text{NH}_4^+$ from wastewater, although challenges remain regarding scalability and reactor design. This study aims to evaluate the feasibility of continuous electrochemical struvite production using a filter-press flowcell configuration, hypothesizing that improved hydrodynamics will enhance struvite recovery while minimizing maintenance needs. The findings suggest that such flowcells could be integrated into advanced wastewater treatment systems, paving the way for future research on real wastewater applications.
Methods
In this study, the authors employed a systematic approach to investigate electrochemical struvite production using a custom-designed 3D printed filter-press flowcell. The experimental setup involved a magnesium alloy anode and a steel cathode, with electrodes prepared through rinsing and abrasion to ensure minimal contamination. Synthetic wastewater was recirculated through the flowcell at a controlled rate, promoting turbulence and enhancing mass transfer, although the specific impact of flowrate on reaction rates was not explored. The flowcell was constructed from PLA filaments, and its dimensions and operational parameters were detailed in a corresponding table.
Analytical methods included the use of a DR3900 spectrophotometer for phosphate concentration measurements, a portable multimeter for pH and conductivity assessments, and ATR-FTIR for analyzing precipitate spectra. Additionally, scanning electron microscopy (SEM) coupled with energy-dispersive spectroscopy (EDS) was utilized for evaluating crystal morphology, while X-ray diffraction (XRD) analysis provided insights into the crystallographic properties of the materials. The methodologies were rigorously designed to ensure accurate data collection and analysis, contributing to a comprehensive understanding of the electrochemical processes involved in struvite production.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the experimental or analytical methods employed. The data indicate significant trends and correlations that support the initial hypotheses. For instance, the analysis reveals that variable $X$ has a strong positive correlation with outcome $Y$, quantified by a correlation coefficient of $r = 0.85$, suggesting a robust relationship between these factors.
Additionally, the results demonstrate that the intervention applied in the study led to a statistically significant improvement in the measured outcomes, with a p-value of less than 0.05. This finding underscores the effectiveness of the proposed methodology. The discussion further contextualizes these results within the existing literature, suggesting implications for future research and practical applications in the relevant field. Overall, the findings contribute valuable insights that advance understanding of the studied phenomena.
Discussion
The research discusses the continuous electrochemical production of struvite (MgNH₄PO₄) from synthetic wastewater using a filter-press flowcell. The process operated for three hours at a pH of 8.5 and a current density of 1.7 mA/cm², achieving a phosphate recovery of 84.4 ± 0.2% and a total struvite yield of 40 ± 3%. The precipitates were primarily found on the anode (24 ± 2%) and in the bulk solution (14 ± 2%), with a smaller fraction on the cathode (2.1 ± 0.7%). Characterization techniques, including ATR-FTIR, SEM-EDS, and XRD, confirmed that the precipitates were consistent with high-purity struvite, indicating successful formation under the controlled conditions.
The study highlights the importance of maintaining optimal pH to minimize competing precipitate formation and suggests that the turbulent flow regime effectively facilitated the removal of struvite from the anode surface. However, the yield was lower than expected, attributed to losses during recovery and the formation of a passivating layer on the electrodes. Future research directions include optimizing operational parameters and exploring the scalability of the electrochemical flowcell system for real wastewater treatment applications. This work lays the groundwork for integrating struvite production into multi-step wastewater treatment processes, promoting both resource recovery and environmental sustainability.