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磷回收:技术与政策

 编者按:磷是动植物生长必不可少的营养元素,也是不可再生的有限资源,而城市化后的现代卫生排水设施使其断了回归土地之路,导致其呈直线流动形式从陆地逐渐流向海洋。磷危机已经出现,没了磷便意味着人类食物从此会断档,这个时间很快,最多也就100年的功夫。前几期推送已向大家介绍了农村地区应坚守“粪尿返田”,以源分离技术恢复有机农业等相关内容。对于城市集中式污水处理设施,可以通过磷回收方式遏制磷的匮乏现象。为了最大限度遏制磷的匮乏速度,欧洲国家早已率先开发出从污水/污泥、动物粪尿中回收磷的技术并应用于工程实践中。实现污水磷回收还意味着将防治水体富营养化与磷的可持续利用合二为一,具有一石二鸟的作用。本期回顾2016年发表文章,详细介绍国际上各种磷回收工艺特点及磷回收效果,同时还阐述欧盟有关磷回收的政策,以期为我国推动磷回收提供借鉴与参考。

  01

  磷回收技术动态

  从市政污水中回收磷的环节

  在污水处理过程中,可从以下几个环节中回收磷:1)含磷水相。如厌氧池富磷上清液及污泥消化液;2)含磷固相。如消化污泥或脱水后消化污泥;3)焚烧灰分。如污泥焚烧后的灰烬。

  从液相中回收磷,回收率约为40%-50%;从污泥或焚烧后灰烬中回收磷,总回收率可达到90%。污水处理过程中磷回收的最适宜点位如图1所示。

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  图1 污水处理过程中磷回收最适宜点位

  富磷上清液/污泥消化液磷回收技术

  1、BCFS工艺

  以反硝化除磷菌(DPB)作用原理为设计依据,从厌氧区末端引出富磷上清液,以侧流方式进行磷回收。回收磷后的上清液再回到主流生物处理流程,接着完成生物脱氮除磷功能。BCFS工艺最大的特点是将化学除磷宏量效果好与生物除磷微量效果佳的优点合二为一,特别适合于低碳源污水除磷、脱氮。

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  图2 厌氧池富磷上清液侧流磷回收BCFS工艺

  2、 Anphos与Phospaq工艺

  均以完全混合(CSTR)反应器回收污泥消化液中磷为目的,Anphos工艺将曝气单独在CSTR之外设置,而Phospaq工艺则将曝气与结晶反应同置于CSTR之中。第一步通过曝气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,以获得鸟粪石(MAP)沉淀。

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  图3 回收污泥消化液中磷的Phospaq与Anphos工艺

  3、NuRe Sys工艺

  NuRe Sys工艺为连续运行,采用两个反应器回收污泥厌氧消化液中的磷。结晶槽(CSTR)配备了全自动控制系统,以保证MAP最优反应pH值得以实现。控制系统还可以根据浓度调整搅拌强度,使MAP结晶不会被叶片打碎。

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  图4 回收污泥消化液中磷的NuRe Sys工艺

  4、Phosnix工艺

  氧污泥消化液从流化床反应器底部进入;Mg(OH)2和NaOH以1∶1比例投入反应器,调节pH值至8.2-8.8;反应器从底部曝气,一则吹脱CO2,二来增加提升与搅拌作用。回收的鸟粪石结晶颗粒大小在0.5-1.0mm之间,可通过离心机分离后作为肥料。

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  图5 回收污泥消化液中磷的Phosnix工艺

  5、Crystalactor工艺

  这一磷回收反应器的核心是在柱状反应器内填充适当数量的晶种,如砂粒或矿粒。富磷上清液由底进入反应器内,并在水流的作用下处于流化状态。通过投加化学试剂来调整pH值,使PO43-在晶种上结晶析出。可以选择并控制最佳工艺条件,最大限度减少杂质析出,保证生成高纯度的磷酸钙[Ca3(PO43)2]。

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  图3 电渗析膜法回收尿液中NH4+的工艺流程

  表1 富磷上清液与污泥消化液中磷回收效果

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  污泥中磷与污泥灰分磷回收技术

  1、Air Prex工艺

  用于回收消化污泥里的PO43-,以减少输送消化污泥管道的结垢现象。消化污泥进入反应器后投加适量的MgCl2,并在里层进行曝气使其与污泥充分混合,以形成鸟粪石结晶并予以回收;污泥随后进入单层不曝气的第二个反应器,使较小粒径鸟粪石结晶、沉淀,以提高磷回收效率。

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  图7 回收消化污泥中磷的Air Prex工艺

  2、Ash Dec工艺

  主要分两步进行。第一步是焚烧污泥,以去除污泥中有机污染物。第二步为热化学处理,往灰烬中加入MgCl2和CaCl2,并维持1000℃高温20-30min,使得重金属变为气态从灰烬中挥发,最后剩下的含磷灰烬可以直接用于磷肥生产。

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  图8 回收污泥灰分中磷的Ash Dec工艺示意图

  表2 从污泥与灰烬中回收磷效果

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  从牲畜粪尿中回收磷

  近年来,除从市政污水中回收磷的技术,从牲畜粪便中回收磷的技术也得到了长足的发展,主要以美国北卡罗莱纳州猪粪尿磷回收工艺及荷兰Putten牛粪尿磷回收工艺为代表。

  美国猪粪尿磷回收工艺首先对猪粪尿进行固、液分离,利用含磷量较高的废液进行消化,以去除可能干扰磷回收的碳酸氢根离子,然后再投加药剂回收PO43-,磷回收效率可达94%;荷兰牛粪尿磷回收工艺先将收集废液做脱氮处理,剩下的富PO43-废液再投加MgO,以MAP形式回收,磷回收效率达95%。

  02

  磷回收政策——

  《欧盟肥料监管提案》

  目前欧盟只有5%生物废料(污水/污泥或动物粪尿)实现磷回收,如果有更多生物废料实施磷回收,这将可以替代30%磷肥,欧盟对PO43-进口量将减少600万t/a。在2016年,欧盟提出了《肥料管理提案》草案。按发布的草案,欧盟又制定了堆肥和消化产物标准。与此同时,还启动了以欧盟联合研究中心(JRC)为首的研究项目,旨在制定鸟粪石以及其它从污泥焚烧灰烬中回收营养物质的标准、规范。

  满足管理条例标准的回收产物将被视为“产品”,且这些回收产物将被允许在欧盟各国流通和贸易。同时《废物框架指令》和《动物产品监管条例》也将被修改,以满足《肥料管理提案》的相关标准。

  表3《欧盟肥料管理提案》关于营养物部分标准

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  表4《欧盟肥料管理提案》关于有机肥料中有毒物质部分标准

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  03

  结语

  应对已经出现的磷危机,以欧盟为首的国家已开发出很多从污水/污泥或动物粪尿中回收磷的工艺并用于工程实际。这些工艺着手于污水、污泥处理过程中的富磷液相环节,主要集中于生物除磷工艺厌氧区污泥上清液和消化污泥分离液。同时动物粪尿及养殖废水亦是富磷之地,可采用类似方法予以回收。

  磷回收技术与设备并不复杂,难的是磷回收产物需要有政策和标准支持方能获得二次再生利用。在此方面,欧盟制定了专门针对从污水/污泥或动物粪尿中回收磷的《欧盟肥料管理提案》,使回收产物既有保障又有出路,打通了从污水处理厂到餐桌之磷的人工循环,回归我们祖先创造的原生态文明之路。

  原文信息:

  郝晓地,宋鑫.从污水/污泥、动物粪尿中回收磷:技术与政策[J].北京建筑大学学报,2016,32(03):101-106+115.




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