资源回收 | 污泥焚烧灰分：磷回收简单而有效位点

时间：2022-01-21 09:38

来源：水业碳中和资讯

作者：于晶伦，郝晓地等

　　编者按：

磷是生命活动不可缺少的宏量营养元素。人类食物来源——庄稼种植所需肥料中的磷目前几乎都来自一种被称为磷矿石的天然磷矿。磷矿石因化学磷肥生产几乎被消耗至尽，现有储量最多只够维持人类约100年左右的开采时间。施肥进入农田的磷绝大多数残留于土壤（随降雨冲刷而逐渐进入水体），少量转移至作物乃至粮食中。因此，人粪尿和动物粪便是目前最有可能通过人工循环使磷等营养物回归农田的可行途径。因此，原生态下的粪尿返田习惯（生态而不卫生）对维持可持续的人类生活方式意义重大。然而，木已成舟的城市卫生设施及下水道系统（卫生而不生态）难以实现粪尿返田，更多时候代之以被污水处理脱氮除磷。

面对磷危机，污水脱氮除磷实践必须变革，应尽快升级为“脱氮储磷”模式。有关污水处理磷回收，欧洲国家的理论与实践走在了世界前列，从聚焦“鸟粪石”到关注“蓝铁矿”，再到污泥焚烧灰分磷回收，各种途径与方法层出不穷。综合各种磷回收方法以及焚烧必然成为剩余污泥终极处理之趋势，从污泥焚烧灰分中回收磷显得简单而有效，因为污水中约90%的磷最终都转移至剩余污泥之中。为此，本期推送2020年我们发表的文章，介绍目前已有污泥焚烧灰分磷回收方法，总结不同磷回收方法与原理，分析不同技术优劣、经济成本和应用前景。最后，梳理目前国际上对灰分磷回收与产物应用的相关规范和法律，以期对我国磷回收发展有所借鉴。

　　引言

　　在污泥处置方法中，土地填埋为主的污泥处理/处置方式因土地空间限制而日趋窘迫，特别是对城市而言。污泥虽含有一定肥分，适当处理后可以农用，但在目前农民普遍废弃“粪尿返田”习惯的情况下，污泥返田似乎出路渺茫。在此情况下，我国一些城市(包括香港)已开始实施污泥焚烧，以彻底解决污泥减量以及能量回收问题。

　　然而我国实施污泥焚烧实属“迫不得已”，但这种技术路线从系统观点看其实是一种可持续处理/处置方式，比其它非填埋和农用方式投资更省、运行费用更低、有机能量回收最大，所以，它也是欧洲污泥处置的主要选择(41.5%)。因此，污泥焚烧必将成为我国乃至世界的终极处理、处置选择，这也就为灰分磷回收带来了市场前景。再者，灰分磷回收成本仅为从污水和污泥中回收成本的80%和24%。可见，基于污泥焚烧灰分磷回收之技术路径将逐渐成为未来磷回收方式的必然选择。

　　焚烧灰分组成及特性

　　实际上，污泥焚烧灰分元素组分决定于污泥来源与焚烧方式。剩余污泥分为以生活污水为主的市政污泥和以工业污水为主的工业污泥。市政污泥含有丰富的N、P、K等营养元素，而工业污泥来源广泛，成分复杂，不但重金属含量普遍远高于市政污泥，且燃烧灰分中磷含量仅为市政污泥灰分的26%。

　　污泥焚烧后所含水分与有机物双双消耗殆尽，最后仅占剩余污泥体积10%左右的无机质成为主要成分，其中包含原污水中几乎全部的磷元素，而磷元素因污泥体积大为缩减而使灰分中磷含量显著提高。此外，焚烧灰分中其它金属与非金属元素含量亦相应提高，特别是一些重金属。污泥焚烧时往往采取混烧方式，这会大大降低灰分中的磷含量。德国经验表明，市政污泥单独焚烧产生的灰分中磷含量可达3.6%～13.1%(平均9.0%)，而混合焚烧灰分磷含量仅为2.8%～7.5%(平均4.8%)，且还会额外增加重金属含量，所以，污泥焚烧最好单独实施，避免灰分磷含量降低和杂质引入。

　　灰分磷回收技术

　　灰分磷回收技术关键在于重金属去除和磷酸盐矿物相转化。灰分磷回收步骤可分为3步，如下图所示。首先，破坏灰分中原有磷酸盐矿物相，将磷提取出来(磷提取)；其次，需要将磷与重金属等杂质分离(磷纯化)；最后，根据需求将磷纯化产物以适当形式回收(磷产物)。

　　灰分磷回收包括生物法、湿式化学法、热化学法。生物浸出（生物法）是指在一定工艺条件下利用微生物代谢活动产生的无机酸或分泌的有机酸使磷和金属从灰分中浸出的过程；生物聚磷则是利用特定微生物的聚磷特性，从生物浸出液中特异性回收磷并与重金属有效分离的过程。其中，氧化亚铁硫杆菌能够氧化亚铁或将硫化物氧化为单质硫进行增殖代谢；氧化硫硫杆菌能够利用还原态硫和单质硫作为底物生长，产生硫酸，两种微生物可发挥协同作用产生硫酸，将磷和重金属浸出。

　　湿式化学法磷提取是通过直接投加酸或碱溶液，改变灰分酸碱环境，以增大磷的溶解度，使磷由固相转移至液相。之后，将溶解磷与重金属分离后得到具有附加值的磷产品。

　　热化学法是在900～2000 ℃高温下，将重金属及其化合物气化(或液化)，通过气相分离(或密度分离)装置实现重金属与磷的分离。因此，热化学法借助于高温环境，可同时实现磷提取与磷纯化。另外，高温环境通过打破灰分中原有矿物相，形成新的磷酸盐矿物相(Ca-P) 继而提高了磷酸盐的可植物利用度。目前，具有代表性的热化学法有Thermphos、AshDec和Mephrec工艺。各个方法的比较如下表所示。

　　表1 灰分磷回收技术各方法比较