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技术综述 德国污水处理厂的磷回收

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北极星节能环保网讯:目前德国在污水处理过程中的磷回收整体科研情况如何?各种物质流内的磷回收效率怎样?今后总体发展趋势如何?通读此文,可知晓答案。

1 导言

对于所有生命和植物来说,磷是十分重要的元素。在许多工业领域内,磷也是不可替代的原料,例如原料磷属于食品工业和肥料工业中的关键组分。此外,在饲料工业、制药工业、表面加工处理和高效电池中(锂-铁-磷电极),也需要各种磷化合物作为工业原料。

因为世界上只有少数几个国家拥有可经济开采,同时含有较少污染物质的磷矿,磷在今后几十年内将会变成稀有物质。图1显示了最近一些年来国际磷市场上价格的变化趋势: 磷原料价格可以在一年半内上升至10倍以上, 但在 2008—2009 年经济危机期间下跌至高峰价格的1/5,目前价格又开始逐步上升。

图 1 国际市场上原磷价格的发展情况

在德国和多数欧洲其他国家都没有自然磷矿,基本依靠原料磷或者肥料进口。鉴于这一原因, 近些年来许多工业国家,如德国、日本、加拿大、瑞典、美国和瑞士就磷回收开展了许多研究工作。

作为磷回收的主要基质,首先是考虑污水、市政污泥、污泥灰烬, 以及动物骨粉。其他一些基质例如化肥、生物质灰烬、堆肥物质、生物沼气装置的发酵物质或来自食品工业的剩余物质有些已经作为肥料被直接使用, 有些则优先考虑其他植物营养物质的循环利用。

市政污泥或市政污泥灰烬被认为是最具有磷回收潜力的物质。以前污泥是通过直接农用来循环利用大部分磷物质。但最近认为市政污泥在污水处理过程中积聚了许多有害物质,此外污泥中的含磷物质是否能被植物循环利用也被质疑,污泥农用逐步受到限制。作为替代方案,污泥处置逐步趋向热法处置。为了使得资源能够循环利用, 从市政污泥灰烬内进行磷回收反而变得日趋重要。

2 背景情况和框架条件

2.1磷物质流向和潜在磷回收量

根据德国统计局的数据, 2009—2010年德国在采用各种矿化肥料时总共使用103t磷。整个欧洲总共采用磷肥975t磷。

从全球自然矿产情况来看,每年原磷生产大约 176×106t。目前全球可以经济开采的磷矿储存量大约是 65 000×106t,因此从统计学角度分析,磷矿可开采时间大约 370 年。

与其它原料相比,似乎这一理论计算出的磷可用时间还很长。但问题是这些磷矿内的重金属含量在不断增加,例如目前被重金属污染时最高浓度可达 165mg镉/kgP 和700mg铀/kgP。此外, 随着世界人口数量不断上升,磷消费量也相应不断上升。也就是说,高质量低污染的优质磷矿将在大约 50 内被全部开采耗尽。

磷矿资源在世界各地的分布也差异很大。目前大约80%磷矿储存量位于摩洛哥、南美、中国、美国和约旦。这些国家的原磷生产总量占全球 70%。

为了应付今后的缺磷状况,可以采用循环利用措施来解决。例如可以在市政污水处理过程中,再生回收各种磷化学物质。德国 2009 年的市政污泥量是 1.96 ×106t绝干污泥,假定污泥中平均磷含量是 2.4%,则理论上可回收的磷含量是47000 t P/a, 大约相当于每年矿化性磷肥消耗量的 45%。另外,欧盟委托的一项研究也显示,欧盟 27个国家在2010 年的市政污泥产量是11.56×106t。同样假定污泥磷含量是 2.4%,则欧盟磷肥替代潜在能力约占28%。

虽然污泥农用问题很多,但目前仍然有很多欧洲国家将直接农用作为污泥处置方法。而在德国, 污泥处置明显趋向于热法处置, 今后还将不断发展 (图 2 )。从欧洲层面来看,总的污泥处置也是按这一方向发展:在 2006 年污泥焚烧比例只有 20.2%, 而在2010年上升至 27%,预测在 2020 年将提高上升至 32%。但与此同时,2020 年的欧洲污泥农用比例也将会稍微上升至 44%, 这是因为至 2010年 仍然还有14%的市政污泥必须被填埋,但这一填埋比例至 2020 年之前必须减少一半。

图 2 德国各种市政污泥处置途径的发展情况

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