深度|污水資源化帶動(dòng)可持續(xù)發(fā)展模式
磷是地球上一種不可再生的有限自然資源，同時(shí)，全球普遍存在著陸地磷礦資源日益匱乏與水環(huán)境中磷含量過(guò)高而導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化這一矛盾。資源與環(huán)境的矛盾正推動(dòng)著回收磷的理念快速傳播，并同時(shí)推進(jìn)了一系列研發(fā)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。
除此之外，從污水或污泥中提取磷并且對(duì)其進(jìn)行合理農(nóng)業(yè)利用的綜合技術(shù)方向愈來(lái)愈受到重視。本文將從磷回收的技術(shù)角度切入，并以加拿大Ostara公司的磷回收技術(shù)為案例，解析磷回收技術(shù)如何與農(nóng)業(yè)種植完成產(chǎn)業(yè)融合，從而通過(guò)污水資源化帶動(dòng)可持續(xù)發(fā)展模式。
磷回收的現(xiàn)狀
磷回收工藝多種多樣，包括化學(xué)沉淀法、強(qiáng)化生物除磷工藝與化學(xué)沉淀結(jié)合工藝、結(jié)晶法、吸附/解吸法等傳統(tǒng)方法，還包括源分離技術(shù)、MBR工藝、動(dòng)物糞尿回收磷技術(shù)、生物質(zhì)磷回收技術(shù)、污泥及焚燒灰回收磷以及納米技術(shù)等新型技術(shù)。
以前磷回收多數(shù)是在污水或污泥脫水上清液內(nèi)進(jìn)行，但現(xiàn)在可以直接在消化污泥內(nèi)進(jìn)行磷回收。對(duì)消化污泥進(jìn)行磷回收之后，可以有效提高后續(xù)脫水污泥的含固量，從而大幅度降低污泥處置費(fèi)用。
原則上說(shuō)，在污水處理廠的各污水處理和污泥處理工段內(nèi)都可以進(jìn)行磷回收。包括：
在污泥脫水機(jī)房的回流工藝水(污泥脫水后的上清液)內(nèi)進(jìn)行磷回收
在污泥消化塔和污泥脫水機(jī)房之間的消化污泥內(nèi)進(jìn)行磷回收
從單污泥焚燒爐的污泥灰燼內(nèi)進(jìn)行磷回收
在上述提及的磷回收情況中，應(yīng)用最為廣泛的是從市政污泥固體物質(zhì)或污泥灰燼內(nèi)定向抽提回收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。主要原因是在污水處理或污泥處理過(guò)程中所產(chǎn)生的固體物質(zhì)內(nèi)含有很高濃度的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。但從固體物質(zhì)回收磷的處理工藝十分繁瑣昂貴，必須事先采用生物、化學(xué)和機(jī)械方法，將和污泥或灰燼結(jié)合在一起的磷轉(zhuǎn)化成溶解性的正價(jià)態(tài)磷元素之后才能進(jìn)行磷回收。
與此相反，雖然液相內(nèi)的磷含量濃度較低，但在液相內(nèi)進(jìn)行磷回收的處理工藝則明顯簡(jiǎn)單容易。此時(shí)采用的磷回收工藝?yán)昧顺恋斫Y(jié)晶原理，可以快速簡(jiǎn)單地整合安裝在污水處理廠內(nèi)。這些處理工藝在近些年來(lái)已經(jīng)變得十分成熟，目前已在全球許多大型污水處理廠內(nèi)獲得成功應(yīng)用。
磷回收的主要產(chǎn)品形式為磷酸鐵、磷酸鋁、鳥糞石(簡(jiǎn)稱MAP)和羥磷灰石等磷酸鹽沉淀物。在各種磷酸鹽回收產(chǎn)物中鳥糞石倍受青睞，原因在于鳥糞石中P含量折算成P2O5標(biāo)準(zhǔn)量后可達(dá)51.8%，而目前世界上最高品質(zhì)的磷礦石含量為46%(P2O5≥30%即被定義為富磷礦)。由此可見(jiàn)，以鳥糞石形式回收磷無(wú)異于發(fā)現(xiàn)了富磷礦。更重要的是，鳥糞石可以直接或間接被用作農(nóng)業(yè)、林業(yè)優(yōu)質(zhì)肥料。
Ostara的磷回收工藝
Ostara公司總部位于加拿大溫哥華，專注于幫助污水廠實(shí)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)回收和資源的產(chǎn)品化。主推的磷回收工藝是Pearl反應(yīng)器。其營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)管理方案能夠使污水廠在處理污水的過(guò)程中有效回收磷、氮等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并將其加工成為高效環(huán)保的生態(tài)化肥產(chǎn)品，使有可能破壞生態(tài)環(huán)境平衡的氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入健康可持續(xù)的生態(tài)循環(huán)之中。這種方式不但能幫助污水廠達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，提高出水水質(zhì)，同時(shí)也通過(guò)資源回收實(shí)現(xiàn)了減少能耗，降低運(yùn)行和生產(chǎn)成本的目標(biāo)。Ostara公司的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)回收系統(tǒng)目前在北美、歐洲等國(guó)家和地區(qū)的污水廠中使用。
Pearl工藝
Pearl工藝是Ostara公司專門針對(duì)鳥糞石的綜合性專利解決方案。該技術(shù)主要是基于在液化床反應(yīng)器中控制化學(xué)結(jié)晶程度，使鳥糞石轉(zhuǎn)化成高純度的結(jié)晶顆粒。
圖1 PEARL反應(yīng)器
Pearl工藝主要用于直接對(duì)污泥水進(jìn)行磷回收。在一個(gè)流化床反應(yīng)器內(nèi)，通過(guò)投加氯化鎂和氫氧化鈉(反應(yīng)器內(nèi)pH值被調(diào)節(jié)設(shè)置在7.2和8.0之間)，可在反應(yīng)器內(nèi)沉淀形成MAP。被處理的污泥水從下向上穿流反應(yīng)罐。作為補(bǔ)充，一部分污泥水進(jìn)行內(nèi)部環(huán)流，產(chǎn)生流化效應(yīng)。也因?yàn)檫@一原因，這一處理工藝所需要的反應(yīng)器體積和相應(yīng)投資費(fèi)用就變得很大。
MAP的長(zhǎng)晶，或者說(shuō)MAP圓形大顆粒的形成是在反應(yīng)器內(nèi)鳥糞石結(jié)晶種基礎(chǔ)上形成。在流化床內(nèi)，晶種始終不斷地與新沉淀的MAP相接觸，并逐漸變大。直到晶體直徑長(zhǎng)大至6 mm時(shí)，因?yàn)轭w粒本身重量原因下沉至反應(yīng)器底部，此時(shí)MAP以產(chǎn)品形式排出裝置。這些MAP產(chǎn)品后續(xù)還必須進(jìn)行干燥處理。
Pearl工藝可以使污水廠取得高達(dá)85%的磷去除率，還能去除污泥脫水消化液中40%的氨氮負(fù)荷。同時(shí)，污水廠還實(shí)現(xiàn)了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)回收和資源產(chǎn)品化，其出產(chǎn)的化肥以CrystalGreen®品牌進(jìn)入市場(chǎng)。
圖2 Pearl反應(yīng)器工作原理
圖3 Pearl工藝路線圖
CrystalGreen®磷肥
Crystal Green®磷肥完全由Pearl工藝產(chǎn)生，不含有機(jī)微量污染物質(zhì)和治病微生物，重金屬含量甚至低于傳統(tǒng)的磷肥標(biāo)準(zhǔn)。Crystal Green®磷肥的市場(chǎng)銷售目前是由Ostara公司自己進(jìn)行。
圖4 Crystal Creen®品牌的鳥糞石化肥
傳統(tǒng)的化肥只有在經(jīng)過(guò)灌溉或有水的情況下才會(huì)釋放營(yíng)養(yǎng)成分，Crystal Green®磷肥卻可以直接根據(jù)植物根部的需求在整個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)穩(wěn)定持續(xù)地釋放磷、氮、鎂等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，同時(shí)防止因雨水沖刷等因素造成的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)流失，提高了有效地促進(jìn)農(nóng)作物生長(zhǎng)和成熟。
圖5 營(yíng)養(yǎng)物釋放速率對(duì)比
根據(jù)Pearl工藝對(duì)結(jié)晶過(guò)程的控制，Crystal Green®磷肥可以形成四種不同的顆粒尺寸，分別用于草皮種植、觀賞植物培育、園藝、和農(nóng)業(yè)應(yīng)用。Crystal Green®磷肥適應(yīng)現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施，允許直接替代傳統(tǒng)的磷酸鹽肥料。
圖6 Crystal Green®磷肥的四種顆粒尺寸
案例分析
Ostara公司目前在北美和歐洲擁有14個(gè)案例，幫助各個(gè)污水廠積極應(yīng)對(duì)營(yíng)養(yǎng)物污染并促進(jìn)糧食安全。
表1 Ostara公司案例目錄
芝加哥Stickney污水處理廠
美國(guó)芝加哥Stickney污水處理廠是世界上最大的污水處理廠，受芝加哥大區(qū)污水管理局(MWRD)的監(jiān)管。該廠位于美國(guó)芝加哥西南部，是一座具有90多年歷史的污水處理廠。Stickney污水廠的處理量最大約為529萬(wàn)m3/d，實(shí)際污水處理量在270萬(wàn)m3/d左右。
芝加哥的污水處理出水排放標(biāo)準(zhǔn)一直在不斷提高，其中磷排放限值提升到了1.0mg/L。愈發(fā)嚴(yán)格的出水排放標(biāo)準(zhǔn)，加之MWRD的污水處理設(shè)備長(zhǎng)期以來(lái)積累了大量鳥糞石形態(tài)的礦物質(zhì)附著物，對(duì)管道和設(shè)備造成了破壞，MWRD決定對(duì)其管理的位于伊利諾伊州Cicero市的Stickney污水廠進(jìn)行改造，建立新的磷管理系統(tǒng)以應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。
Ostara在污水資源管理上的表現(xiàn)得到了MWRD的認(rèn)可。MWRD在2013年底與Ostara和Black&Veatch簽訂了合作協(xié)議，為其管理的Stickney 污水廠設(shè)計(jì)和建造營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)回收系統(tǒng)(Resource RecoverySystem)。
在Stickney污水廠營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)回收系統(tǒng)改造項(xiàng)目中，Black&Vealch提供設(shè)計(jì)、采購(gòu)和建造方面的服務(wù)，而Ostara公司將負(fù)責(zé)提供營(yíng)養(yǎng)回收系統(tǒng)的技術(shù)和設(shè)備支持，并且在項(xiàng)目完工后繼續(xù)在系統(tǒng)運(yùn)行和維護(hù)上提供幫助。
該項(xiàng)目總投資3100萬(wàn)美元，已于2016年5月24日正式投入使用，據(jù)預(yù)測(cè)，這套磷回收設(shè)備能回收85%的磷和15%的氮。該營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)回收系統(tǒng)預(yù)計(jì)將幫助Stikney污水廠減少30%的磷排放，并且每年可以產(chǎn)出1萬(wàn)噸Crystal Green®化肥，其每噸價(jià)格可達(dá)400美元，除去項(xiàng)目成本，MWRD將得到每年200萬(wàn)美元的投資回報(bào)。
荷蘭Amersfoort污水廠項(xiàng)目
荷蘭Amersfoort污水廠的處理能力為6萬(wàn)m3/d，選用Pearl®2000型反應(yīng)器，數(shù)量為1座，安裝方式為舊設(shè)施改造。目前每年出產(chǎn)Crystal Green®化肥可達(dá)900噸，預(yù)計(jì)5~7年內(nèi)實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目盈利。
加拿大Gold Bar污水廠項(xiàng)目
加拿大Gold Bar污水廠的處理能力30萬(wàn)m3/d，選用Pearl®10000型反應(yīng)器，數(shù)量為1座，安裝方式為新建。目前每年出產(chǎn)Crystal Green®化肥可達(dá)2000噸。
英國(guó)Slough污水廠項(xiàng)目
英國(guó)Slough污水廠的處理能力5.7萬(wàn)m3/d，選用Pearl®500型反應(yīng)器，數(shù)量為1座，安裝方式為新建。目前每年出產(chǎn)Crystal Green®化肥可達(dá)150噸。
加拿大H.M. Weir污水廠項(xiàng)目
加拿大H.M. Weir污水廠的處理能力7.5萬(wàn)m3/d，選用Pearl®2000型反應(yīng)器，數(shù)量為1座，安裝方式為舊設(shè)備改造。目前每年出產(chǎn)Crystal Green®化肥可達(dá)730噸。
總結(jié)
所謂資源，放錯(cuò)地方有可能是垃圾，放對(duì)地方才是寶。如本文所談及的鳥糞石，當(dāng)它在污水系統(tǒng)中回流時(shí)，就變成阻塞管道和閥門的問(wèn)題所在，而且維修成本不菲。一般污水處理廠通過(guò)化學(xué)方式除磷，但化學(xué)藥劑的價(jià)格也不便宜，并且產(chǎn)生的污泥還要處理。所以O(shè)stara的磷回收技術(shù)，與其說(shuō)把磷變成肥料商品，倒不如說(shuō)它用更低的運(yùn)行成本使污水達(dá)標(biāo)排放。
許多國(guó)家已經(jīng)將磷礦產(chǎn)視為21世紀(jì)的一種戰(zhàn)略資源，加大對(duì)各種磷回收工藝的研發(fā)與應(yīng)用。磷回收是緩解磷資源匱乏現(xiàn)狀行之有效的方法，同時(shí)也是控制水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要手段，這與我國(guó)目前和今后奉行的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略不謀而合。目前世界經(jīng)濟(jì)的衰退雖然可暫時(shí)緩解一下磷資源的緊張狀況，但是，經(jīng)濟(jì)一旦復(fù)蘇，勢(shì)必加劇磷礦產(chǎn)資源的匱乏速度。在磷資源問(wèn)題上，等待和觀望只有死路一條，惟有主動(dòng)回收方為上策。
磷回收這一技術(shù)舉措已經(jīng)不僅僅是污水處理方面的專利。磷回收技術(shù)思路目前已經(jīng)涉及到污水以外的其它領(lǐng)域，比如農(nóng)業(yè)利用。如何將磷回收技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行融合，加拿大Ostara公司事先士卒，樹立了行業(yè)楷模。磷對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)至關(guān)重要，幾乎所有農(nóng)作物的生長(zhǎng)都離不開(kāi)磷。但是大量的磷會(huì)對(duì)水質(zhì)和生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重的負(fù)面影響。加拿大Ostara公司的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)回收項(xiàng)目通過(guò)建立新的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)回收系統(tǒng)，污水中的磷、氮等得以轉(zhuǎn)化成化肥，以有利于環(huán)境的形態(tài)進(jìn)入自然生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)之中，保障了飲用水安全和流域健康;而磷肥使污水中的資源得以產(chǎn)品化。磷回收項(xiàng)目很好地展示了如何利用新技術(shù)將傳統(tǒng)的污水廠轉(zhuǎn)變成資源回收中心。
隨著科技和社會(huì)的不斷發(fā)展，行業(yè)融合已經(jīng)逐漸成為一種趨勢(shì)，只有找到合理的出路，才能使生態(tài)環(huán)境真正實(shí)現(xiàn)“綠水青山”和“金山銀山”的雙贏。
原標(biāo)題:污水資源化帶動(dòng)可持續(xù)發(fā)展模式
