資源回收 | 污泥焚燒灰分：磷回收簡單而有效位點

時間：2022-01-21 09:38

來源：水業碳中和資訊

作者：于晶倫，郝曉地等

　　編者按：

磷是生命活動不可缺少的宏量營養元素。人類食物來源——莊稼種植所需肥料中的磷目前幾乎都來自一種被稱為磷礦石的天然磷礦。磷礦石因化學磷肥生產幾乎被消耗至盡，現有儲量最多只夠維持人類約100年左右的開采時間。施肥進入農田的磷絕大多數殘留于土壤（隨降雨沖刷而逐漸進入水體），少量轉移至作物乃至糧食中。因此，人糞尿和動物糞便是目前最有可能通過人工循環使磷等營養物回歸農田的可行途徑。因此，原生態下的糞尿返田習慣（生態而不衛生）對維持可持續的人類生活方式意義重大。然而，木已成舟的城市衛生設施及下水道系統（衛生而不生態）難以實現糞尿返田，更多時候代之以被污水處理脫氮除磷。

面對磷危機，污水脫氮除磷實踐必須變革，應盡快升級為“脫氮儲磷”模式。有關污水處理磷回收，歐洲國家的理論與實踐走在了世界前列，從聚焦“鳥糞石”到關注“藍鐵礦”，再到污泥焚燒灰分磷回收，各種途徑與方法層出不窮。綜合各種磷回收方法以及焚燒必然成為剩余污泥終極處理之趨勢，從污泥焚燒灰分中回收磷顯得簡單而有效，因為污水中約90%的磷最終都轉移至剩余污泥之中。為此，本期推送2020年我們發表的文章，介紹目前已有污泥焚燒灰分磷回收方法，總結不同磷回收方法與原理，分析不同技術優劣、經濟成本和應用前景。最后，梳理目前國際上對灰分磷回收與產物應用的相關規范和法律，以期對我國磷回收發展有所借鑒。

　　引言

　　在污泥處置方法中，土地填埋為主的污泥處理/處置方式因土地空間限制而日趨窘迫，特別是對城市而言。污泥雖含有一定肥分，適當處理后可以農用，但在目前農民普遍廢棄“糞尿返田”習慣的情況下，污泥返田似乎出路渺茫。在此情況下，我國一些城市(包括香港)已開始實施污泥焚燒，以徹底解決污泥減量以及能量回收問題。

　　然而我國實施污泥焚燒實屬“迫不得已”，但這種技術路線從系統觀點看其實是一種可持續處理/處置方式，比其它非填埋和農用方式投資更省、運行費用更低、有機能量回收最大，所以，它也是歐洲污泥處置的主要選擇(41.5%)。因此，污泥焚燒必將成為我國乃至世界的終極處理、處置選擇，這也就為灰分磷回收帶來了市場前景。再者，灰分磷回收成本僅為從污水和污泥中回收成本的80%和24%。可見，基于污泥焚燒灰分磷回收之技術路徑將逐漸成為未來磷回收方式的必然選擇。

　　焚燒灰分組成及特性

　　實際上，污泥焚燒灰分元素組分決定于污泥來源與焚燒方式。剩余污泥分為以生活污水為主的市政污泥和以工業污水為主的工業污泥。市政污泥含有豐富的N、P、K等營養元素，而工業污泥來源廣泛，成分復雜，不但重金屬含量普遍遠高于市政污泥，且燃燒灰分中磷含量僅為市政污泥灰分的26%。

　　污泥焚燒后所含水分與有機物雙雙消耗殆盡，最后僅占剩余污泥體積10%左右的無機質成為主要成分，其中包含原污水中幾乎全部的磷元素，而磷元素因污泥體積大為縮減而使灰分中磷含量顯著提高。此外，焚燒灰分中其它金屬與非金屬元素含量亦相應提高，特別是一些重金屬。污泥焚燒時往往采取混燒方式，這會大大降低灰分中的磷含量。德國經驗表明，市政污泥單獨焚燒產生的灰分中磷含量可達3.6%～13.1%(平均9.0%)，而混合焚燒灰分磷含量僅為2.8%～7.5%(平均4.8%)，且還會額外增加重金屬含量，所以，污泥焚燒最好單獨實施，避免灰分磷含量降低和雜質引入。

　　灰分磷回收技術

　　灰分磷回收技術關鍵在于重金屬去除和磷酸鹽礦物相轉化。灰分磷回收步驟可分為3步，如下圖所示。首先，破壞灰分中原有磷酸鹽礦物相，將磷提取出來(磷提取)；其次，需要將磷與重金屬等雜質分離(磷純化)；最后，根據需求將磷純化產物以適當形式回收(磷產物)。

　　灰分磷回收包括生物法、濕式化學法、熱化學法。生物浸出（生物法）是指在一定工藝條件下利用微生物代謝活動產生的無機酸或分泌的有機酸使磷和金屬從灰分中浸出的過程；生物聚磷則是利用特定微生物的聚磷特性，從生物浸出液中特異性回收磷并與重金屬有效分離的過程。其中，氧化亞鐵硫桿菌能夠氧化亞鐵或將硫化物氧化為單質硫進行增殖代謝；氧化硫硫桿菌能夠利用還原態硫和單質硫作為底物生長，產生硫酸，兩種微生物可發揮協同作用產生硫酸，將磷和重金屬浸出。

　　濕式化學法磷提取是通過直接投加酸或堿溶液，改變灰分酸堿環境，以增大磷的溶解度，使磷由固相轉移至液相。之后，將溶解磷與重金屬分離后得到具有附加值的磷產品。

　　熱化學法是在900～2000 ℃高溫下，將重金屬及其化合物氣化(或液化)，通過氣相分離(或密度分離)裝置實現重金屬與磷的分離。因此，熱化學法借助于高溫環境，可同時實現磷提取與磷純化。另外，高溫環境通過打破灰分中原有礦物相，形成新的磷酸鹽礦物相(Ca-P) 繼而提高了磷酸鹽的可植物利用度。目前，具有代表性的熱化學法有Thermphos、AshDec和Mephrec工藝。各個方法的比較如下表所示。

　　表1 灰分磷回收技術各方法比較