磷危機(jī)下的磷回收策略與立法

水處理網(wǎng)訊:1 文章簡介

磷是生物體內(nèi)一種必不可少的營養(yǎng)元素。人體內(nèi)磷大約占體重的1/10，幾乎參與到所有的生化反應(yīng)；同時，磷也會通過促進(jìn)脂肪與脂肪酸分解而調(diào)節(jié)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(chǎn)，以滿足人口增長對糧食生產(chǎn)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(xiàn)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(jī)的來臨。

基于可持續(xù)發(fā)展需要，國際上愈來愈重視對磷資源的保護(hù)與回收利用。除農(nóng)業(yè)上盡可能做到磷的閉路循環(huán)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(xù)發(fā)展目標(biāo)，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(yīng)用方向。目前，已有不少國家頒布法律強(qiáng)制要求從動物糞尿與污水/污泥中回收磷。從全球磷危機(jī)入手，本文對磷回收方法和技術(shù)、國外磷回收案例與法規(guī)進(jìn)行了歸納總結(jié)，以此來促進(jìn)我國制定相應(yīng)的磷回收政策與法律。

2 地球磷危機(jī)

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(dá)到500億t，均為優(yōu)質(zhì)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(zhì)量分?jǐn)?shù)≤30%)，選礦成本極高。

磷在生物圈中的循環(huán)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(jīng)過數(shù)以億年計的地質(zhì)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(fā)所導(dǎo)致的全球磷危機(jī)實際已經(jīng)出現(xiàn)。所以，我們應(yīng)盡可能恢復(fù)糞尿返田之原生態(tài)循環(huán)方式。不然，就只用通過技術(shù)與工程手段從動物糞尿和污水/污泥中最大程度地回收磷。

3 磷回收方法

3.1 動物糞尿無害化返田

人類正面臨磷危機(jī)，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(xué)磷肥的廣泛依賴，從而有效減緩磷的消耗速度，是實現(xiàn)磷回收的最直接和有效的方法。隨著現(xiàn)代社會畜牧養(yǎng)殖業(yè)已朝著集約化、規(guī)?；较虬l(fā)展，各種飼料添加劑頻繁使用，導(dǎo)致動物糞尿中殘存了金屬和抗生素等可能危害生態(tài)環(huán)境和人類健康的物質(zhì)。

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(xué)使用飼料添加劑，嚴(yán)格控制金屬及抗生素的添加量，方能安全恢復(fù)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。

3.2 農(nóng)村污水源分離糞尿利用

糞尿返田目前之所以不再受農(nóng)民青睞、甚至被完全撇棄的主要原因是來自化肥的競爭，當(dāng)然也存在對糞尿中病原菌、寄生蟲卵等危害健康的過分擔(dān)憂。在磷危機(jī)四伏的情況下，建議政府盡早通過經(jīng)濟(jì)杠桿作用來推動農(nóng)民積極回歸糞尿返田之習(xí)慣。至于糞尿中病原菌等微生物滅活問題采用傳統(tǒng)糞尿收集、集中漚肥方式就可以很大程度上達(dá)到滅活的效果，如果再輔以現(xiàn)代多種滅菌技術(shù)，就更加安全可用了。通過源分離便器實現(xiàn)對糞尿與污水的有效分離，并被衛(wèi)生返田利用后，也可大大簡化農(nóng)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）。

3.3 城市污水/污泥磷回收

3.3.1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(cè)流方式回收鳥糞石（MgNH4PO4×6H2O）一直被研究與應(yīng)用領(lǐng)域趨之若鶩，這是因為鳥糞石中的P2O5含量高達(dá)29%），不僅可以直接作為緩釋肥料使用，亦可用于磷肥生產(chǎn)。但是，鳥糞石生成化學(xué)條件應(yīng)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(guān)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(xué)催化問題。

3.3.2 從污泥中回收藍(lán)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(lán)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(lán)鐵礦形成除與Fe3+含量相關(guān)，還與厭氧條件下異養(yǎng)金屬還原菌（DMRB）有關(guān)，它們可將Fe3+生物還原為Fe2+后方能與污泥細(xì)胞裂解產(chǎn)生的PO43-反應(yīng)生成藍(lán)鐵礦。因此，藍(lán)鐵礦生成過程較為復(fù)雜，受限因素很多，導(dǎo)致產(chǎn)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(lán)鐵礦應(yīng)用于工程實際還存在諸多障礙。

3.3.3 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(jī)能量而用于發(fā)電、殺滅全部病原菌、最大程度實現(xiàn)污泥減量；而且，形成的無機(jī)灰分或爐渣中含有進(jìn)水負(fù)荷中達(dá)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(lán)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(jìn)水負(fù)荷的20%~25%；而從污泥焚燒灰分中回收磷則適用于大規(guī)模集中式（考慮分散式干化、鄰避效應(yīng)集中焚燒應(yīng)用場景）磷回收，回收效率可達(dá)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(lán)鐵礦的80%和24%?？梢姡瑥奈勰喾贌曳种谢厥樟资俏磥砦鬯?污泥中磷回收的重要發(fā)展方向。

4 國內(nèi)外磷回收案例與立法現(xiàn)狀

有關(guān)磷回收實際應(yīng)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(jīng)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(shù)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(yīng)給予行政鼓勵和經(jīng)濟(jì)補(bǔ)貼，否則，磷回收很難被商業(yè)市場所驅(qū)動。歐盟及其成員國不僅在磷回收技術(shù)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(guī)。表2列舉了部分歐洲國家有關(guān)磷回收政策與法律法規(guī)，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(xué)界玩物，幾乎還沒有真正的實踐應(yīng)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(yīng)的政策與法律法規(guī)支持。

表1 國外典型磷回收案例

Table 1 Cases of phosphorus recovery at abroad

表2 部分歐洲國家磷回收政策與法律法規(guī)

Table 2 Policies and regulations of phosphorus recovery in European ries

5 結(jié)論

磷是動植物生長所必需的營養(yǎng)元素，它直接關(guān)系到人類的糧食安全問題?；拾l(fā)明使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)獲得極大生產(chǎn)效率，但同時也導(dǎo)致磷礦過快消耗。目前，磷危機(jī)已經(jīng)出現(xiàn)，后果相當(dāng)嚴(yán)重。為此，建議通過一切可能且必要之手段恢復(fù)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(dāng)“第二磷礦”的角色。實現(xiàn)磷回收技術(shù)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(yīng)的政策與法律、法規(guī)，從而推動磷回收的實踐活動。