磷回收在污泥资源化方面的研究进展与应用分析

DOI:10.3969/j.issn.1004-4655.2018.03.014

CHINA MUNICIPAL ENGINEERING

Ｎｏ．３　（Ｓｅｒｉａｌ　Ｎｏ．１９８）

Ｊｕｎ．　２０１８

磷回收在污泥资源化方面的研究进展与应用分析

纪 莎 莎，黄 瑾

[上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司，上海 200125]

摘要：城市污水厂的污泥中每吨干污泥含有TP为15～30 kg，从磷的可持续利用和控制水体富营养化角度来讲，遵从“废弃物资源回收”原则，实现污泥中磷资源的最大限度释放和回收，既能满足污水排放标准，保护环境，又可提高稀缺资源的重复利用率。基于我国日渐明晰的污泥处理处置路线，综述与其匹配的磷回收方式及相应技术的进展，探讨不同回收方式的应用潜能。针对上海地区污泥处理处置的特点，对城区污泥磷回收方式进行分析，为污泥焚烧飞灰的资源化利用提供新思路。关键词：污泥；磷回收；可持续利用

中图分类号：X703 文献标志码：A 文章编号：1004-4655（2018）03-0045-03

1 磷资源分布、物质流向及回收

磷（P）在自然界所有元素中天然丰度居第七位，主要以其最稳定的磷酸盐形式存在于地壳的岩石中。磷在人类和动植物的细胞生命活动中起着非常重要的作用，同时又是人们生活中生产化肥、动物饲料、洗漆用品等必需品的原料。目前全球经济开采的磷矿储存量大约是65 000×10 t，约80%磷矿储存量位于摩洛哥、南美、中国、美国和约旦，据预测，全球的磷储量不足以用100 a，我国也将磷列为2010年不能满足需要的矿种之一。

磷在生态系统中的循环是典型的沉积型循环，其最终归宿是水体。若处理不当，将给环境带来极大负担。为控制水体富营养化，污水在排入水体前必须去除所含的磷，但无论用化学法或者生物法处理含磷废水，均是将磷从污水中转移到污泥中。现在国际上已经将污泥资源化作为循环经济的重要内容，在污泥高效处理处置的同时，向污泥要资源，要能源。根据理论估算，市政污水污泥中的总磷量（通常以正磷酸盐形式存在），可以覆盖农业化肥需要量的50%~60%。因此，将污泥中的磷释放并回收，既减少水体富营养化风险，又使污泥作为最主要的次级磷资源得到可持续利

收稿日期：2018-04-02

第一作者简介：纪莎莎(1985—)，女，工程师，博士，主要从事废弃物处置及清洁能源利用相关研究及设计工作。

6

用，一举多得[1-2]。

2 污泥磷回收途径与应用潜能分析2.1 磷回收途径分析

在污泥处理处置过程中，P主要通过以下4个。重要方式进行回收[3]（见图1）

沉砂池进水

剩余活性污泥上清液沼气

脱水

厌氧消化

焚烧

初沉池

爆气池

二沉池

出水土地利用

图1 污泥处理处置过程中可实施磷回收的重要节点示意图

1）方式1。通过土地利用的方式回收厌氧消化后脱水污泥中的P。

2）方式2。从消化污泥中的液相回收P。3）方式3。从消化后污泥脱水后的上清液中回收P。

4）方式4。通过焚烧方式回收焚烧产物中的P。

2.2 方式1应用潜能分析

方式1直接采用土地利用的方式进行磷回收，具有成本少、能耗低等优点，但无法控制污泥中的有机污染物、重金属及寄生虫和病原体对土壤的侵害，具有一定的风险[4]。有研究表明，当污水处理厂仅采用

45

纪莎莎，黄瑾：磷回收在污泥资源化方面的研究进展与应用分析

2018年第3期

生物除磷工艺且污泥处理采用厌氧消化时，方式1才可能较高地回收磷，这主要由于用铁盐或铝盐进行化学沉淀后，固定在污泥中的P不易被土地利用。

在我国，由于大多数污水处理厂不满足“生物除磷+厌氧消化”模式，极大限制此种磷回收方式的应用，目前仅有大连夏家河、武汉三金潭、北京小红门等几座污水处理厂适用于此种模式。2.3 方式2及方式3应用潜能分析

方式2及方式3的主流技术是通过化学沉淀法提取磷化合物，其原理是在液相中投加一定量的金属盐，使溶解磷形成难溶盐或氢氧化物而沉淀。近几年，采用较多的是镁盐和钙盐，其工艺流程已日趋成熟。镁盐沉淀法的反应式如式（1）所示，其中MgNH4PO4·6H2O（简称MAP，即鸟粪石）中磷含量折算成P2O5标准量后达51.8%，并且鸟粪石含有氮磷2种营养元素，是一种很好的缓释肥。钙盐沉淀法具有成本低、操作简单等优点， 其反应式如式（2）所示，其中Ca5OH（PO4）3虽然不能同时回收氮磷，但可直接作为磷酸盐工业的原料。

Mg2++HPO2-++H2O+OH-4+NH4→

MgNH4PO4·6H2O↓+H2O

（1）

Ca2++H-2PO2-4+OH→Ca5OH（PO4）3↓+H2O （2）

沉淀法提取磷化合物的典型工艺为StruviaTM工艺、Pearl工艺和AirPrex工艺。其中，应用最为广泛的是德国CNP公司的AirPrex工艺。其工艺原理为：将含有高浓度的PO4-P的消化污泥送至AirPrex反应器中，进行曝气吹脱处理，通过吹脱CO2使pH值升高至7.8~8.2，污泥中的PO4-P、

NH+4与投加的MgCl2发生化学反应，生成磷酸铵镁体逐渐变大，不断沉积在反应器下端，经阀门控制晶体排放，通过洗涤分离装置将高质量MAP分离。这些以鸟粪石(MAP)工艺为基础的大型商业装置已成功应用在德国Mnchengladbach-Neuwerk污水处理厂，德国柏林Waβmannsdorf污水处理厂和荷兰阿姆斯特丹污水处理厂；在国内，天津津南污泥处理厂作为循环经济示范工程已采用AirPrex磷回收处理工艺，将为我国污泥磷回收工程化应用提供宝贵经验。

2.4 方式4应用潜能分析

方式4的主流技术为湿式酸性提取法及热化学46

处理法。污泥焚烧飞灰（incinerated sewage sludge

ash，ISSA）中的磷酸盐含量折合为P2O5可达10~25wt.%。其中超过90%的磷通过酸，如硫酸、盐酸或磷酸， 在pH值＜2的情况下从ISSA中浸出。但与此同时，会返溶额外的30%～90%的重金属物质。这就需要利用沉淀、萃取、离子交换等手段进行去除，导致工艺流程复杂，最终产品仍存在重金属污染的风险。利用热化学工艺提取P是另一种可行工艺（见图2）。利用重金属及其化合物在高温下进行气相分离，高温还可破坏ISSA中的矿物并形成新的含P矿物质，从而有效改善P的生物利用程度。但此种方法在加热烟气中会携带部分Ni和Cr，对大气造成污染[5]。除此之外，当Fe含量较高时会降低磷的回收效率。因此，需要污水处理厂在污水处理时尽量避免添加铁盐。

通过热化学处理法提取营养物质被授予商品名 Phoskraft，并作为肥料获得销售许可证，芬兰Outotec Oyj技术公司拥有此技术。

有机污染物污泥

重金属单独焚烧

有机污染物分解

污泥焚烧飞灰重金属添加KCI

或MgCl2

热化学反应●

去除重金属●形成新的矿物

分离出重金属氯化物

●

提高降低污染物含量磷肥原料●P的生物利用程度

图2 利用热化学处理法回收ISSA中的P

3 我国污泥磷回收可行方案分析

3.1 我国污泥处理处置现状及技术路线发展

截至2016年3月，我国已建3 910多座城镇污水处理厂，污水处理能力已达到1.67亿m3/d。我国每年产生3 000~4 000万t污泥（含水率80%）。预计到2020年，我国市政污泥量将达到6 000~9 000万t。2015年新建污泥无害化处置规模达到520万t/a，同比增长41%，但全国湿污泥平均无害化处理率仍仅有32%[6]。经过“十二五”的技术攻关，国家共制定14项标准规范与政策，形成4条主流技术路线，即：“厌氧消化+土地利用”、+土地利用”、“干化+焚烧+灰渣填埋

（MAP）沉淀物。随着流化反应时间的推移，结晶“好氧发酵纪莎莎，黄瑾：磷回收在污泥资源化方面的研究进展与应用分析

2018年第3期

或建材利用”、“深度脱水+填埋”，并通过21项示范工程进行推广应用。焚烧及厌氧消化已成为未来主流趋势，国内大多数大、中型污泥处理处置使用这些技术； “深度脱水+填埋”则会逐渐被取代或作为应急措施存在，而好氧发酵的优势在于其成本低，可能得到经济欠发达地区的青睐。3.2 我国污泥磷回收方式分析

4种磷回收方式的对比如表1所示，通过方式1，P的回收比例可达70%；通过方式2及方式3，P的回收比例分别为25%及20%；方式4，P的回收比例最高，可达70%~90%。值得注意的是，通过不同的工艺及技术，所需要的投资、能耗及化学

应用方式磷回收比例方式170%技术优势技术劣势药剂费用差异较大。受磷含量、重金属含量等方面的限制，获得的磷回收产品适用范围也有所不同，并不是所有的产品都适用于农用。其中“厌氧消化+土地利用”技术路线可采用方式1、方式2及方式3，“干化+焚烧+灰渣填埋或建材利用”技术路线可采用方式4。

随着今后磷矿石短缺， 经济情况将会发生改变。2017年8月德国污水处理厂污泥法正式宣布生效，强制规定在过渡期（12 a或15 a）之后，所有规模超过5万人口当量的污水厂都必须从污泥或者污泥灰烬中进行磷回收，同时禁止污泥土地利用。

运转成本低典型工艺直接施用适用场景应用趋势表1 污泥磷回收方式对比表 处理后的污泥直接施用于土壤 对污水污泥处理中，易于操作，运行成本及能耗工艺有限制；存在均较低生态风险 仅适用于符合不 随着土地利用同土地利用方式国标准的日趋严格，家标准的污泥应用受限方式2及方式3 装置容易整合建造在消化塔后；有效防止下游设备产生沉积造成20%~25% 磷回收比例较低阻塞；提高污泥脱水性能，节省絮凝剂消耗量；工艺较为成熟 ISSA作为一种干燥并具有自由流动性的粉末与磷酸盐矿石或液70%~90%相稀释污泥相比，大幅简化后续磷酸盐提取工艺；有效改善P的生物利用；磷回收比例高 处理工艺复杂；存在重金属污染风险；无大型工程应用案例中等 适用于采用厌氧 适用性强、易 StruviaTM工消化方式处理污泥整合，是目前我艺、Pearl工艺、的厂区；适用于分国磷回收的重要AirPrex工艺等散式P回收方式方式之一 RPA-/PASCH工艺、SEPHOS-工艺、SUSAN工艺等 与污泥焚烧相 适用于采用焚烧匹配，适用于我方式处理污泥的厂国发达地区，是区；适宜大规模、未来磷回收技术集中式P回收方式的发展方向方式4高3.3 上海地区污泥磷回收方案分析

上海正处于城市转型升级的重大战略提升期，面临新一轮经济结构和产业布局调整、区域功能提升、社会结构转型，土地资源和环境承载力约束等，污泥处理处置作为城市水环境改善的重要环节，应顺应新形势和新技术的发展趋势。目前上海市受场地、环境等因素制约，填埋场空间已到极限，难以满足污泥填埋需求。预测至2020年全市污泥量将达到1 200 t DS/d，为实现“安全可靠、环境改善、管理高效”的目标，上海市将进一步推进污泥处理设施的建设。“十三五”期间上海中心城区3大片区污泥处理设施所有新建工程均采用干化焚烧技术路线，使ISSA循环利用不再局限于建材利用，还着眼于P回收，为废弃物循环利用创造有利条件。4 结语

针对我国污泥处理处置路线，磷回收工艺可分为两大类型：一种是基于方式2、方式3的分散型处理，其工艺开发成熟度较高、成本较低，可在短时间内建造完成，并已取得一定规模的商业应用，但这些装置的磷回收效率相对较低；另一种是基于

方式4的集中型处理，由于污泥单独焚烧所产生的飞灰中磷含量较高，特别适用于大规模的磷提取。

通过分析，建议使用热化学法对ISSA中的磷进行提取，不仅具有磷回收效率高的优点，还可在工艺步骤中去除重金属并提高磷的生物利用度。虽然此种处理工艺较为复杂，目前也没有大型工程案例予以支持，但从资源保护及废弃物循环利用角度来讲，其必将成为经济发达地区进行磷回收的重要方式之一。参考文献：

[1] 柴春燕,冯玉杰.污水能源资源回收利用全球工程应用进展[J].中

国给水排水,2016(24):14-19.

[2] 薛勇刚,吴芳芳,刘旭军,等.磷回收技术及其在污泥资源化领域

的研究进展[J].环境科学与技术,2014,37(120):247-251.

[3] 郝晓地,宋鑫,MARK V L.政策驱动欧洲磷回收与再利用[J].中国

给水排水,2017(8):35-42.

[4] ZHOU K X,BARJENBRUCH M, KABBE C,et al. Phosphorus recovery

from municipal and fertilizer wastewater: China's potential and perspective[J].Journal of Environmental Sciences,2017(52):151-159.[5] DONATELLO S,CHEESEMAN C R. Recycling and recovery routes for

incinerated sewage sludge ash (ISSA):A review[J].Waste Management, 2013(33):2328-2340.

趋势探讨[J].中国给水排水,2016(16):26-30.

[6] 李雄伟,李俊,李冲,等.我国污泥处理处置技术应用现状及发展

47