解决磷危机：城市污水磷回收技术的应用与展望

解决磷危机：城市污水磷回收技术的应用与展望

磷是动植物生长的必需营养元素，也是不可再生的有限资源。然而，城市化之后的现代化卫生排水设施，切断了它回到陆地的路径，使其从陆地直线流向海洋。磷危机已经出现，没有磷，人类粮食从此断绝，而且这个时间很短，最多100年。前几期我们给大家介绍了农村要坚持“粪尿还田”，用源头分离技术恢复有机农业。对于城镇集中污水处理设施，磷短缺可以通过磷回收来遏制。为了最大程度遏制磷短缺的速度，欧洲各国早已率先研发从污水/污泥和动物粪尿中回收磷的技术，并应用于工程实践。 实现污水磷回收也意味着将水体富营养化防治与磷的可持续利用结合起来，起到一举两得的效果。本期回顾了2016年发表的文章，详细介绍了国际上各种磷回收工艺的特点和磷回收效果，同时也对欧盟关于磷回收的政策进行了讲解，以期为我国推进磷回收提供参考和借鉴。

01 磷回收技术更新

从城市废水中回收磷

在污水处理过程中，磷可以从以下几个环节回收：1）含磷水相。如厌氧池中的富磷上清液、污泥消化液等；2）含磷固相。如消化污泥或脱水后的消化污泥；3）焚烧灰渣。如污泥焚烧后的灰渣。

从液相中磷的回收率约为40%-50%；从污泥或焚烧后的灰渣中磷的总回收率可达90%。污水处理工艺中磷回收最适宜的点如图1所示。

富磷上清液/污泥消化液中磷的回收技术

1. BCFS 流程

该设计基于反硝化除磷菌（DPB）原理，以厌氧区末端富磷上清液为设计依据，以侧流方式回收磷。磷回收后的上清液返回主流生物处理工艺，再完成生物反硝化除磷功能。BCFS工艺最大的特点是融合了化学除磷宏观效果好和生物除磷微观效果好的优点，特别适用于低碳源污水的除磷反硝化。

2. 利用技术

两种工艺的目的都是在完全混合式（CSTR）反应器中回收污泥消化液中的磷。前者在CSTR外单独设置曝气，后者将曝气结晶反应置于CSTR内。第一步通过曝气脱除消化液中的CO2，提高消化液的pH值；第二步在消化液中加入MgO，控制pH值在8.2～8.3，得到鸟粪石（MAP）沉淀。

3. NuRe Sys 流程

NuRe Sys 工艺是一种连续工艺，利用两个反应器从污泥厌氧消化中回收磷。结晶槽（CSTR）配备全自动控制系统，确保MAP达到最佳反应pH值。控制系统还可根据浓度调节搅拌强度，使MAP晶体不会被叶片打碎。

3. NuRe Sys 流程

NuRe Sys 工艺是一种连续工艺，利用两个反应器从污泥厌氧消化中回收磷。结晶槽（CSTR）配备全自动控制系统，确保MAP达到最佳反应pH值。控制系统还可根据浓度调节搅拌强度，使MAP晶体不会被叶片打碎。

4. 技术

氧污泥消化液从流化床反应器底部进入；向反应器内按1:1的比例加入Mg(OH)2和NaOH，调节pH值至8.2-8.8；反应器从底部曝气，吹除CO2，增加提升搅拌作用。回收的鸟粪石晶体粒径在0.5-1.0mm之间，可用离心机分离后作为肥料使用。

5. 技术

这种磷回收反应器的核心是将适量的晶种，如沙子或矿石，装入柱状反应器中，富磷上清液从底部进入反应器，在水流作用下呈流化状态，通过加入化学试剂调节pH值，使PO43-结晶于晶种上，通过选择和控制最佳工艺条件，最大限度减少杂质的析出，保证生产出高纯度的磷酸钙[Ca3(PO43)2]。

污泥及污泥灰中的磷回收技术

1. Air Prex 工艺

用于回收消化污泥中的PO43-，减少消化污泥输送管道结垢。消化污泥进入反应器后，加入适量MgCl2，内层曝气，与污泥充分混合形成鸟粪石晶体并回收；污泥再进入第二层单层反应器，不需曝气，结晶析出粒径较小的鸟粪石，提高磷的回收率。

2. 除灰工艺

主要分为两步，第一步将污泥焚烧，去除污泥中的有机污染物；第二步是热化学处理，在灰渣中加入MgCl2和CaCl2，维持1000℃高温20-30分钟，使重金属转化成气态从灰渣中挥发掉；剩下的含磷灰渣可直接用于磷肥生产。

从牲畜粪便中回收磷

近年来，除了从城市污水中回收磷的技术外，从畜禽粪便中回收磷的技术也取得了很大的进展，主要代表是美国北卡罗来纳州的猪粪及尿液磷回收工艺和荷兰的牛粪及尿液磷回收工艺。

美国的猪粪尿磷回收工艺先将猪粪尿固液分离，利用含磷量较高的废液进行消化，除去可能干扰磷回收的碳酸氢根离子，再加入试剂回收PO43-，磷回收效率可达94%；荷兰的牛粪尿磷回收工艺先将收集的废液进行脱氮处理，然后在剩余的富含PO43的废液中加入MgO，以MAP形式回收，磷回收效率可达95%。

02 磷回收政策——

欧盟化肥监管提案

目前，欧盟仅有5%的生物废弃物（污水/污泥或动物粪便）被磷回收，如果更多的生物废弃物被磷回收，将替代30%的磷肥，欧盟每年可减少进口600万tPO43-。2016年，欧盟提出了《肥料管理提案》草案，根据草案，欧盟还制定了堆肥和消化产品的标准。同时，启动了由欧洲联合研究中心（JRC）牵头的研究项目，制定从污泥焚烧灰中回收鸟粪等营养物质的标准和规范。

符合管理法规标准的再生产品将被视为“产品”，这些再生产品将被允许在欧盟国家流通和贸易。同时，《废物框架指令》和《动物产品法规》也将进行修订，以符合《肥料管理提案》的相关标准。

03 结论

针对已经出现的磷危机，以欧盟为首的国家已开发出许多从污水/污泥或畜禽粪便、尿液中回收磷的工艺并应用于工程实践。这些工艺针对污水、污泥处理过程中的富磷液相，主要针对生物除磷工艺厌氧区污泥上清液和消化污泥分离液。同时畜禽粪便、养殖废水中也含有丰富的磷，可采用类似的方法进行回收。

磷回收技术和设备并不复杂，难点在于磷回收产品需要有政策和标准的支持，才可以回收进行二次利用。在这方面，欧盟专门针对从污水/污泥或动物粪尿中回收磷制定了《欧盟肥料管理提案》，让回收的产品既有安全性，又有出路，打通磷从污水处理厂到餐桌的人工循环，回归祖先们创造的原生态文明。