Progress and Future Trend of Phosphorus Recovery Technology from Municipal Sewage Sludge under the Background of “Carbon Peaking and Carbon Neutrality”
Phosphorus plays an important role in the growth of organisms, especially crops, and phosphorus resources are in a state of shortage at present. Recovering phosphorus from municipal sludge has become an inevitable way for future sewage treatment. Phosphorus content in sludge is about 1%~3%, which mainly exists in the form of inorganic phosphorus such as orthophosphate ion, so it is feasible to recover phosphorus. The main principle of recovery is to add calcium and magnesium plasma for precipitation recovery. At present, the existing sludge phosphorus recovery technology can be divided into wet chemical reaction method of precipitation in solution and heat treatment method of heated precipitation, which have the problems of low recovery rate and high cost and energy consumption respectively. In the future, phosphorus recycling will be combined with the “Carbon peaking and carbon neutrality” strategic goals and move towards the road of energy conservation and emission reduction. Possible development directions include concentrated sludge recovery, combined biological treatment and source separation technologies, all of which can reduce energy consumption, reduce costs and increase recovery efficiencies.
Sewage Sludge
磷是生物体生长所必需的元素之一,以补充磷为中心的磷化肥是农业生产中需要大量的肥料。磷肥的主要原料是磷矿,据统计,磷矿产资源开采后约80%被用于磷肥生产
污泥(Sewage Sludge或Biosolid)是废水处理过程中产生的沉淀物质,它包括混入生活污水或工矿废水中的泥沙、纤维、动植物残体等固体颗粒及其凝结的絮状物、各种胶体、有机质及吸附的金属元素、微生物、病菌、虫卵等物质的综合性固体物质,简单而言,污泥是污水中的固体部分。目前我国污泥年产量约6000多万吨含水量80%的污泥。而且随着我国污水处理规模的增加,污泥产量还会稳步增加。市政污水中富含磷。在我国,每年产生的污水中含有的磷相当于每年磷肥磷总量的5.5%
污泥中磷的含量占污泥干重约1%~3%
由于磷酸根及其衍生物形成的钙、镁等盐易于沉淀,通常采用化学沉淀的原理对磷进行回收。污泥中的磷元素通过污泥液提取、热处理后溶解等方式处理后,再发生沉淀反应。
磷形态总体可分为有机磷OP和无机磷IP。OP包含脱氧核糖核酸、核糖核酸、腺苷三磷酸、腺苷二磷酸、腺苷一磷酸、单酯-P、二酯-P、磷脂和植酸等生物态磷;IP主要由磷酸盐和金属离子(如三价铁、二价铁离子,镁离子,铝离子,钙离子,锰离子)的结合产生。不同的污水除磷工艺对污泥中磷的形态及组分起到主导作用
在污泥脱水清液以及污泥焚烧灰消解溶液中发生沉淀反应,是最为常见且简便的磷回收工艺。
比较常见的回收物是鸟粪石(MAP)。MAP的成分为MgNH4PO4·6H2O。在污泥酵清液中回收MAP时,首先需要对污泥进行一系列预处理,包括污泥发酵、调节酸碱、微波或增强生物除磷,以辅助增强鸟粪石形成。污泥预处理完成后,添加MgO、Mg(OH)2或者MgCl2作为镁源,补充氨氮,反应后形成MAP沉淀。这一反应原理简单,工艺流程简便,在德国相当一部分的污泥磷回收工程均采用了此原理。但是当磷含量较低时,需要补充磷,以提高反应效率
目前比较成熟的湿化学工艺包括混合式和流化床。混合式包括Phospaq、Anphos、Nuresys等工艺,流化床包括Phosnix、Pearl、Wasstrip、Crystalactor等工艺
由于磷的各种衍生物通常不易挥发,污泥焚烧等热处理后,且磷的挥发需要超过900~1200摄氏度的高温,因此热处理时只有10%的磷会挥发损失
在过去,曾有直接将污泥灰作肥料的思路,但重金属仍然保留在污泥灰中,可能会产生重金属污染的问题,因此需要对污泥灰进行一定的处理,提取出其中的磷。可以通过酸处理,再进入如上的湿化学流程,通过焚烧的前处理,可以使回收率达到90%以上;也可以再进一步热处理直接提取。比较成熟的二次热处理工艺包括ASH DEC工艺、电热磷回收工艺(Electrothermal Phosphorus Recovery)。ASH DEC工艺将污泥灰与固体氯供体(MgCl2和CaCl2)混合,并在1000℃的温度下暴露20~30分钟,在此温度下,重金属(通常是汞、镉、铅、铜和锌)氯化物变成气体挥发,而磷则形成矿化物质保留
除了焚烧污泥以外,热解、气化也是常用的污泥热处理手段。目前有一种超临界水气化(SCWG)的工艺,将污水污泥置于超临界水中气化,再通过酸浸取出磷。这种方式回收率达到95.5%,可以回收煤气等副产物,更加经济,且避免了焚烧和传统热处理方式所需的较高的干燥成本
以上各种技术的特点如
工艺 |
磷回收率 |
成本 |
优点 |
缺点 |
湿化学反应法 |
低(<50%) |
低 |
系统简单,成本较低;能耗较低;回收物质量高,通常可直接作为优质肥料 |
磷的回收率较低 |
热处理法 |
高(>90%) |
高 |
磷回收率高;与污泥焚烧相匹配 |
系统复杂,成本高;耗能高;回收物需考虑重金属含量问题 |
2020年9月中国明确提出2030年“碳达峰”与2060年“碳中和”目标。在此背景下,市政污水污泥处理也需要碳减排,实现减污降碳的目标。上述现有污泥磷回收的一些技术工艺,湿化学反应技术经济节能,但是回收率不高;热处理等系列工艺回收率高,但是不经济且耗能高。如何在保证磷回收达到要求的同时,进一步减少碳排放、降低成本,将是未来市政污泥磷回收技术的发展研究方向。
在使用厌氧污泥消化技术的一些污水处理厂的污泥脱水管线中有时会发现大量积垢,导致了管道堵塞和水泵损坏。对沉淀物的分析表明,沉淀物质主要是鸟粪石和少量磷酸钙
该工艺需要污泥中含有高浓度的PO4-P,可以减少浓缩污泥体积,相对较为节能,仅需要额外提供曝气所需的能量,且回收率理想,具有较好的研究和应用前景。
生物处理一直是污水处理技术中的热门,包括将磷从水中富集再转移至污泥的除磷过程也是依靠聚磷菌完成。将传统的磷回收工艺与生物处理方法结合,改进污水处理除磷流程,可以在节省成本的同时降低能耗。
在生物除磷的过程中直接加入磷回收的技术,可以实现除磷与回收磷的同步进行。测流化学除磷工艺是将化学除磷与生物除磷相结合,其主流部分是常规的生物处理工艺,将厌氧富磷上清液(或部分好氧吸磷污泥再释磷)引入旁侧的化学混凝沉淀池,对其进行化学磷沉淀处理回收。该技术适用于碳源不足的情况,并将氮和磷的去除分流,避免了聚磷菌在氮浓度过高时会受到一定程度的抑制的问题。在申童童
胡文斌等
磷回收工艺 |
优点 |
缺点 |
湿化学反应法 |
系统简单,成本较低;能耗较低;回收物质量高,通常可直接作为优质肥料 |
磷的回收率较低 |
焚化污泥回收工艺 |
磷回收率高;与污泥焚烧相匹配 |
系统复杂,成本高;需要大量强酸消解耗能高,回收物需考虑重金属含量问题 |
污泥热解 |
回收率高;使用热解技术及其形成的产品可减少环境污染 |
耗能高 |
气化 |
回收率可高达90%;热效率高,相对其他热处理方式节能 |
可能会发生焚烧灰和反应器材料的烧结 |
浓缩污泥回收工艺 |
回收率高;相对热处理系列工艺减少大量能耗,回收产物作为磷肥质量高 |
— |
结合生物除磷技术 |
能耗低,可实现碳中和 |
反应条件相对苛刻,受环境因素影响大 |
源分离技术 |
回收产物质量高,能耗低;回收率较高 |
目前仅有尿液磷回收研究,不能实现全部污水的源分离 |
从市政污泥中回收磷存在回收率低下、处理技术复杂的问题,那么从现实的角度来说,在磷进入污泥之前、从源头回收磷更为合理。
人类尿液中含有的氮、磷、钾分别占城市污水总磷负荷的50%
源分离技术成本较低,对能源的需求相当低,也是未来磷回收技术的发展方向之一。但是该技术限于磷源含磷浓度的限制,目前仅有尿液的源分离技术研究。
基于磷回收效率与绿色低碳的角度出发,不同磷回收工艺的优缺点比较如
1) 磷是市政污水处理中重点关注的污染物之一,同时又是目前具有战略意义的不可再生资源,从市政污泥中回收磷是我国污水处理未来的趋势。本文总结了过往的污泥磷回收工艺研究,并进行了分析比对,同时在前人研究基础上,梳理了新兴污泥磷回收工艺。
2) 目前已经投入使用的磷回收技术包括湿化学反应法和热处理法,但两者分别存在回收率低、成本高的主要问题。当前的污水处理厂需要对污泥中的磷进行回收时,需要因地制宜,结合现实需求采用合适的组合工艺。
3) 未来的污泥磷回收工艺将要结合“双碳”这一战略目标,同时兼顾磷的回收率、技术成本问题。浓缩污泥回收技术、结合生物处理技术、源分离技术等,在节能减排、降低成本方面具有一定优势,可以作为未来的重点研究方向。