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磷危機下的磷回收策略與立法

發布時間 : 2021-11-12  瀏覽次數 :

北極星水處理網訊:磷是生物體內一種必不可少的營養元素。人體內磷大約占體重的1/10,幾乎參與到所有的生化反應;同時,磷也會通過促進脂肪與脂肪酸分解而調節人體酸堿平衡。

磷在自然界主要以地殼中的磷礦形式存在,被人類開采后大多(超過80%)用于化肥(磷肥)生產,以滿足人口增長對糧食生產的需要。而磷在自然界中的流向呈從陸地向海洋的直線流動形式,屬于不可再生、不可替代的有限資源。如果沒有了磷,人類將面臨食物短缺。然而,磷在地球上現已探明的儲量已不足以維持人類使用100年,意味著地球磷危機的來臨。

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基于可持續發展需要,國際上愈來愈重視對磷資源的保護與回收利用。除農業上盡可能做到磷的閉路循環以及提高磷肥利用率外,從點源入手回收磷則是另一種可持續發展目標,這就使得從動物糞尿、污水/污泥中回收磷成為研究的熱點和應用方向。目前,已有不少國家頒布法律強制要求從動物糞尿與污水/污泥中回收磷。從全球磷危機入手,本文對磷回收方法和技術、國外磷回收案例與法規進行了歸納總結,以此來促進我國制定相應的磷回收政策與法律。

一、地球磷危機

世界磷礦資源分布不均,截至2017年底,全球已探明磷儲量為700億t,其中摩洛哥和西撒哈拉的儲量達到500億t,均為優質磷礦,且埋藏淺、易于露天開采。我國的磷儲量(500億t)中大多是中低品位磷礦(P2O5質量分數≤30%),選礦成本極高。

磷在生物圈中的循環方式是一種從陸地向海洋直線流動的沉積過程,沉積在海底的磷只有極少部分會通過海鳥糞便(鳥糞石)或人類捕食海洋生物重新被帶回陸地,絕大部分只有經過數以億年計的地質演變方有可能回到陸地。

磷礦資源儲量有限、分布不均、不可再生以及人類過度開發所導致的全球磷危機實際已經出現。所以,我們應盡可能恢復糞尿返田之原生態循環方式。不然,就只用通過技術與工程手段從動物糞尿和污水/污泥中最大程度地回收磷。

二、磷回收方法

1動物糞尿無害化返田

人類正面臨磷危機,動物糞尿作為天然磷肥返田利用不僅可將動物糞尿“變廢為寶”,而且可減少對化學磷肥的廣泛依賴,從而有效減緩磷的消耗速度,是實現磷回收的最直接和有效的方法。隨著現代社會畜牧養殖業已朝著集約化、規模化方向發展,各種飼料添加劑頻繁使用,導致動物糞尿中殘存了金屬和抗生素等可能危害生態環境和人類健康的物質。

金屬及抗生素使用限制了動物糞尿返田利用的安全性,因此,飼料添加劑源頭控制是動物糞尿返田利用的安全保障。唯有科學使用飼料添加劑,嚴格控制金屬及抗生素的添加量,方能安全恢復動物糞尿返田利用,最大限度減少化肥使用量,有效遏制對磷礦資源的過度、無序攫取。

2農村污水源分離糞尿利用

糞尿返田目前之所以不再受農民青睞、甚至被完全撇棄的主要原因是來自化肥的競爭,當然也存在對糞尿中病原菌、寄生蟲卵等危害健康的過分擔憂。在磷危機四伏的情況下,建議政府盡早通過經濟杠桿作用來推動農民積極回歸糞尿返田之習慣。至于糞尿中病原菌等微生物滅活問題采用傳統糞尿收集、集中漚肥方式就可以很大程度上達到滅活的效果,如果再輔以現代多種滅菌技術,就更加安全可用了。通過源分離便器實現對糞尿與污水的有效分離,并被衛生返田利用后,也可大大簡化農村污水處理問題,甚至與糞尿分離的“灰水”直接可以“干地”處理(澆地或菜園)。

3城市污水/污泥磷回收

3.1從污水中回收鳥糞石

從污水脫氮除磷工藝的厭氧上清液以側流方式回收鳥糞石(MgNH4PO4×6H2O)一直被研究與應用領域趨之若鶩,這是因為鳥糞石中的P2O5含量高達29%),不僅可以直接作為緩釋肥料使用,亦可用于磷肥生產。但是,鳥糞石生成化學條件應為中性、甚至偏弱酸性,在堿性條件下很難生成P2O5純度較高的鳥糞石。因此,從污水處理過程中回收鳥糞石控制好pH最為關鍵,特別是在中性pH以下回收鳥糞石因生成速度慢而需考慮化學催化問題。

3.2從污泥中回收藍鐵礦

在污泥厭氧消化過程中可以形成另外一種高P2O5含量(28.3%)的磷酸鹽礦物,即,藍鐵礦(Fe3(PO4)2·8H2O),亦可用作化肥原料,甚至還可用作鋰離子電池合成材料。藍鐵礦形成除與Fe3+含量相關,還與厭氧條件下異養金屬還原菌(DMRB)有關,它們可將Fe3+生物還原為Fe2+后方能與污泥細胞裂解產生的PO43-反應生成藍鐵礦。因此,藍鐵礦生成過程較為復雜,受限因素很多,導致產物不易形成、且形成后與污泥分離也成為困難。因此,從污泥中回收藍鐵礦應用于工程實際還存在諸多障礙。

3.3污泥焚燒灰分磷回收

污泥焚燒的好處是可最大限度回收所含有機能量而用于發電、殺滅全部病原菌、最大程度實現污泥減量;而且,形成的無機灰分或爐渣中含有進水負荷中達90%的磷,從此處實施磷回收相對簡單而高效。從污泥焚燒灰分中回收磷之難點在于需要分離其中所含重金屬。

總之,以鳥糞石和藍鐵礦形式回收磷適用于分散式磷回收,但回收效率不高,一般僅為進水負荷的20%~25%;而從污泥焚燒灰分中回收磷則適用于大規模集中式(考慮分散式干化、鄰避效應集中焚燒應用場景)磷回收,回收效率可達70%~90%。再者,污泥焚燒灰分磷回收成本僅為從污水中回收鳥糞石和從污泥中回收藍鐵礦的80%和24%。可見,從污泥焚燒灰分中回收磷是未來污水/污泥中磷回收的重要發展方向。

三、國內外磷回收案例與立法現狀

有關磷回收實際應用案例在國外較多,特別是歐美。歐洲在磷回收實踐與立法方面取得的成功經驗值得我們借鑒。表1列舉了一些典型磷回收案例。磷回收在技術層面并沒有太多難點,重要的是需要政府立法或政策支持,應給予行政鼓勵和經濟補貼,否則,磷回收很難被商業市場所驅動。歐盟及其成員國不僅在磷回收技術方面走在了世界前列,而且也及時出臺了磷回收政策與法律、法規。表2列舉了部分歐洲國家有關磷回收政策與法律法規,可供我國參考。磷回收概念目前在我國已不再陌生,但大都淪落為于學界玩物,幾乎還沒有真正的實踐應用案例,更談不上建立磷回收市場。究其原因,主要是還沒有相應的政策與法律法規支持。

四、結論

磷是動植物生長所必需的營養元素,它直接關系到人類的糧食安全問題。化肥發明使農業生產獲得極大生產效率,但同時也導致磷礦過快消耗。目前,磷危機已經出現,后果相當嚴重。為此,建議通過一切可能且必要之手段恢復人與動物糞尿的無害化返田,最大限度遏制磷的消耗速度。難以返田的城市糞尿,可從污水/污泥處理、處置過程中回收磷,充當“第二磷礦”的角色。實現磷回收技術不是限制因素,最重要的是及時的從管理層面像“碳中和”一樣高屋建瓴地建立相應的政策與法律、法規,從而推動磷回收的實踐活動。



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