磷回收：技術(shù)與政策
時(shí)間：2022-03-30
來源： 水業(yè)碳中和資訊
作者：宋鑫，郝曉地等
編者按：磷是動植物生長必不可少的營養(yǎng)元素，也是不可再生的有限資源，而城市化后的現(xiàn)代衛(wèi)生排水設(shè)施使其斷了回歸土地之路，導(dǎo)致其呈直線流動形式從陸地逐漸流向海洋。磷危機(jī)已經(jīng)出現(xiàn)，沒了磷便意味著人類食物從此會斷檔，這個(gè)時(shí)間很快，最多也就100年的功夫。前幾期推送已向大家介紹了農(nóng)村地區(qū)應(yīng)堅(jiān)守“糞尿返田”，以源分離技術(shù)恢復(fù)有機(jī)農(nóng)業(yè)等相關(guān)內(nèi)容。對于城市集中式污水處理設(shè)施，可以通過磷回收方式遏制磷的匱乏現(xiàn)象。為了最大限度遏制磷的匱乏速度，歐洲國家早已率先開發(fā)出從污水/污泥、動物糞尿中回收磷的技術(shù)并應(yīng)用于工程實(shí)踐中。實(shí)現(xiàn)污水磷回收還意味著將防治水體富營養(yǎng)化與磷的可持續(xù)利用合二為一，具有一石二鳥的作用。本期回顧2016年發(fā)表文章，詳細(xì)介紹國際上各種磷回收工藝特點(diǎn)及磷回收效果，同時(shí)還闡述歐盟有關(guān)磷回收的政策，以期為我國推動磷回收提供借鑒與參考。
01
磷回收技術(shù)動態(tài)
從市政污水中回收磷的環(huán)節(jié)
在污水處理過程中，可從以下幾個(gè)環(huán)節(jié)中回收磷：1)含磷水相。如厭氧池富磷上清液及污泥消化液；2)含磷固相。如消化污泥或脫水后消化污泥；3)焚燒灰分。如污泥焚燒后的灰燼。
從液相中回收磷，回收率約為40%-50%；從污泥或焚燒后灰燼中回收磷，總回收率可達(dá)到90%。污水處理過程中磷回收的最適宜點(diǎn)位如圖1所示。
圖1 污水處理過程中磷回收最適宜點(diǎn)位
富磷上清液/污泥消化液磷回收技術(shù)
1、BCFS工藝
以反硝化除磷菌(DPB)作用原理為設(shè)計(jì)依據(jù)，從厭氧區(qū)末端引出富磷上清液，以側(cè)流方式進(jìn)行磷回收�；厥樟缀蟮纳锨逡涸倩氐街髁魃锾幚砹鞒蹋又瓿缮锩摰坠δ�。BCFS工藝最大的特點(diǎn)是將化學(xué)除磷宏量效果好與生物除磷微量效果佳的優(yōu)點(diǎn)合二為一，特別適合于低碳源污水除磷、脫氮。
圖2 厭氧池富磷上清液側(cè)流磷回收BCFS工藝
2、 Anphos與Phospaq工藝
均以完全混合(CSTR)反應(yīng)器回收污泥消化液中磷為目的，Anphos工藝將曝氣單獨(dú)在CSTR之外設(shè)置，而Phospaq工藝則將曝氣與結(jié)晶反應(yīng)同置于CSTR之中。第一步通過曝氣方式首先去除消化液中的CO2，以提升消化液pH值。第二步向消化液中投加MgO，并控制pH值在8.2-8.3，以獲得鳥糞石(MAP)沉淀。
圖3 回收污泥消化液中磷的Phospaq與Anphos工藝
3、NuRe Sys工藝
NuRe Sys工藝為連續(xù)運(yùn)行，采用兩個(gè)反應(yīng)器回收污泥厭氧消化液中的磷。結(jié)晶槽(CSTR)配備了全自動控制系統(tǒng)，以保證MAP最優(yōu)反應(yīng)pH值得以實(shí)現(xiàn)。控制系統(tǒng)還可以根據(jù)濃度調(diào)整攪拌強(qiáng)度，使MAP結(jié)晶不會被葉片打碎。
圖4 回收污泥消化液中磷的NuRe Sys工藝
4、Phosnix工藝
氧污泥消化液從流化床反應(yīng)器底部進(jìn)入；Mg(OH)2和NaOH以1∶1比例投入反應(yīng)器，調(diào)節(jié)pH值至8.2-8.8；反應(yīng)器從底部曝氣，一則吹脫CO2，二來增加提升與攪拌作用�；厥盏镍B糞石結(jié)晶顆粒大小在0.5-1.0mm之間，可通過離心機(jī)分離后作為肥料。
圖5 回收污泥消化液中磷的Phosnix工藝
5、Crystalactor工藝
這一磷回收反應(yīng)器的核心是在柱狀反應(yīng)器內(nèi)填充適當(dāng)數(shù)量的晶種，如砂�；虻V粒。富磷上清液由底進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)，并在水流的作用下處于流化狀態(tài)。通過投加化學(xué)試劑來調(diào)整pH值，使PO43-在晶種上結(jié)晶析出�？梢赃x擇并控制最佳工藝條件，最大限度減少雜質(zhì)析出，保證生成高純度的磷酸鈣[Ca3(PO43)2]。
圖3 電滲析膜法回收尿液中NH4+的工藝流程
表1 富磷上清液與污泥消化液中磷回收效果
污泥中磷與污泥灰分磷回收技術(shù)
1、Air Prex工藝
用于回收消化污泥里的PO43-，以減少輸送消化污泥管道的結(jié)垢現(xiàn)象。消化污泥進(jìn)入反應(yīng)器后投加適量的MgCl2，并在里層進(jìn)行曝氣使其與污泥充分混合，以形成鳥糞石結(jié)晶并予以回收；污泥隨后進(jìn)入單層不曝氣的第二個(gè)反應(yīng)器，使較小粒徑鳥糞石結(jié)晶、沉淀，以提高磷回收效率。
圖7 回收消化污泥中磷的Air Prex工藝
2、Ash Dec工藝
主要分兩步進(jìn)行。第一步是焚燒污泥，以去除污泥中有機(jī)污染物。第二步為熱化學(xué)處理，往灰燼中加入MgCl2和CaCl2，并維持1000℃高溫20-30min，使得重金屬變?yōu)闅鈶B(tài)從灰燼中揮發(fā)，最后剩下的含磷灰燼可以直接用于磷肥生產(chǎn)。
圖8 回收污泥灰分中磷的Ash Dec工藝示意圖
表2 從污泥與灰燼中回收磷效果
從牲畜糞尿中回收磷
近年來，除從市政污水中回收磷的技術(shù)，從牲畜糞便中回收磷的技術(shù)也得到了長足的發(fā)展，主要以美國北卡羅萊納州豬糞尿磷回收工藝及荷蘭Putten牛糞尿磷回收工藝為代表。
美國豬糞尿磷回收工藝首先對豬糞尿進(jìn)行固、液分離，利用含磷量較高的廢液進(jìn)行消化，以去除可能干擾磷回收的碳酸氫根離子，然后再投加藥劑回收PO43-，磷回收效率可達(dá)94%；荷蘭牛糞尿磷回收工藝先將收集廢液做脫氮處理，剩下的富PO43-廢液再投加MgO，以MAP形式回收，磷回收效率達(dá)95%。
02
磷回收政策——
《歐盟肥料監(jiān)管提案》
目前歐盟只有5%生物廢料(污水/污泥或動物糞尿)實(shí)現(xiàn)磷回收，如果有更多生物廢料實(shí)施磷回收，這將可以替代30%磷肥，歐盟對PO43-進(jìn)口量將減少600萬t/a。在2016年，歐盟提出了《肥料管理提案》草案。按發(fā)布的草案，歐盟又制定了堆肥和消化產(chǎn)物標(biāo)準(zhǔn)。與此同時(shí)，還啟動了以歐盟聯(lián)合研究中心(JRC)為首的研究項(xiàng)目，旨在制定鳥糞石以及其它從污泥焚燒灰燼中回收營養(yǎng)物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范。
滿足管理?xiàng)l例標(biāo)準(zhǔn)的回收產(chǎn)物將被視為“產(chǎn)品”，且這些回收產(chǎn)物將被允許在歐盟各國流通和貿(mào)易。同時(shí)《廢物框架指令》和《動物產(chǎn)品監(jiān)管條例》也將被修改，以滿足《肥料管理提案》的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
表3《歐盟肥料管理提案》關(guān)于營養(yǎng)物部分標(biāo)準(zhǔn)
表4《歐盟肥料管理提案》關(guān)于有機(jī)肥料中有毒物質(zhì)部分標(biāo)準(zhǔn)
03
結(jié)語
應(yīng)對已經(jīng)出現(xiàn)的磷危機(jī)，以歐盟為首的國家已開發(fā)出很多從污水/污泥或動物糞尿中回收磷的工藝并用于工程實(shí)際。這些工藝著手于污水、污泥處理過程中的富磷液相環(huán)節(jié)，主要集中于生物除磷工藝厭氧區(qū)污泥上清液和消化污泥分離液。同時(shí)動物糞尿及養(yǎng)殖廢水亦是富磷之地，可采用類似方法予以回收。
磷回收技術(shù)與設(shè)備并不復(fù)雜，難的是磷回收產(chǎn)物需要有政策和標(biāo)準(zhǔn)支持方能獲得二次再生利用。在此方面，歐盟制定了專門針對從污水/污泥或動物糞尿中回收磷的《歐盟肥料管理提案》，使回收產(chǎn)物既有保障又有出路，打通了從污水處理廠到餐桌之磷的人工循環(huán)，回歸我們祖先創(chuàng)造的原生態(tài)文明之路。
原文信息：
郝曉地,宋鑫.從污水/污泥、動物糞尿中回收磷:技術(shù)與政策[J].北京建筑大學(xué)學(xué)報(bào),2016,32(03):101-106+115.
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