宋永會：從廢水中尋找磷短缺的出路
德國卡爾斯魯厄技術研究所的科學家們成功開發出一種新型結晶技術，該技術可用于從廢水中回收磷原料，從而為生態環保創造更有利的條件。
石油危機，水危機……這是很多人都熟悉的話題，相對而言，磷安全可能就不那么被廣為關注了。
人類未來或面臨磷短缺
“磷同水一樣，對所有現代經濟體來說都是不可或缺的。如果像關注全球水供應那樣去關注全球的磷供應，人們的擔憂就會陡然加重。令人不解的是，人們并未更加重視磷安全。”這是澳大利亞一位學者的擔憂。的確，近年來，國際磷礦石價格一路飆升，有科學家也發出警告：全球食品行業或許將不得不應對未來磷短缺的問題。
磷是人類和其他生物生命活動不可缺少的元素，磷肥是農業生產必不可少的肥料。全球消耗的磷礦資源有80%用于磷肥的生產，其他的用途包括制造洗滌劑、飼料添加劑等。而磷礦資源是一種不可再生的資源，據估計，按照目前的消費量，世界磷礦資源將在100年內陷于枯竭。
全世界的磷礦資源主要分布在摩洛哥、美國、南非、中國等國家。在一些磷礦資源匱乏的國家和地區，如日本和歐洲，磷礦資源主要依賴進口。近年來，由非洲出口到歐洲的高品位磷礦資源日漸稀缺，價格不斷上漲。
目前，人類對磷礦資源的利用方式是不可持續的：不斷開采不可再生的磷礦資源，利用其中的部分磷元素，將其余的排入水環境或污泥，這不僅耗竭了磷礦資源，同時導致了水體富營養化。據統計，城鎮居民每人每天隨糞便、尿液排泄到城市污水中的磷約有1.0克；而含磷洗滌劑的使用也提高了污水中磷的濃度。
向污水“要”磷
基于資源和環境兩個方面的壓力，自上世紀90年代末以來，在歐洲和日本等地，從污水中回收磷得到了科技界、磷酸鹽工業界、水工業界以及政府的重視和支持。
歐盟制定的水框架指令對城市污水處理廠除磷作出了明確規定；西歐磷工業協會則提出，到2010年左右，要回收回用25%的磷；瑞典政府更是提出要回收回用污水中75％的磷。磷回收成為資源環境領域的熱點問題。
污水磷回收的實質是將水中的磷固定下來，使其與污水分離，變成類似磷礦石的產物，可以用于磷酸鹽工業或用作農肥。目前研究和試驗較多的磷回收工藝是磷酸鈣沉淀法和磷酸銨鎂結晶法。前者使磷酸根與鈣離子結合生成磷酸鈣沉淀，從水相析出；后者使磷酸根與鎂和銨根離子結合，形成磷酸銨鎂晶體（俗稱鳥糞石），與水相分離，這一工藝同時將污水中的部分銨結晶出來。
盡管污水磷回收的原理并不復雜，但由于污水成分復雜，共存干擾組分，尤其是碳酸根、有機酸等組分能夠與磷酸根競爭鈣鎂離子，所以其工藝需要大量研究。同時，關于磷回收產品的利用方式，也是科學家研究的課題之一。一般認為，從污水中回收的磷酸鈣可以被用作磷礦石的替代產品，而回收的磷酸銨鎂可被用作緩釋磷肥。
污水磷回收的小試和中試研究有很多，荷蘭和日本已經有污水磷回收的大規模試驗廠。荷蘭的Geestmerambacht污水處理廠以石英砂為磷酸鈣結晶的晶種，使回收的磷包裹在石英砂上，形成類似磷礦石的粒狀產品，其產品已經被當地磷酸鹽生產企業使用。
德國卡爾斯魯厄技術研究所研發的新型磷回收技術，其核心是在磷回收結晶工藝的晶種上進行創新。早在2002年，該研究所的前身卡爾斯魯厄研究中心的研究人員就開展了利用硅酸鈣礦物雪硅鈣石從土豆廢水中回收磷的研究。雪硅鈣石是一種廢棄的建筑材料，具有類似于水泥的組分，其特點是能夠在水中溶出鈣離子和堿。鈣離子可以結合磷酸根形成磷酸鹽，堿性條件則對磷酸鈣結晶有利。由于雪硅鈣石來源廣、價格較低，用它作為回收磷的載體是一種不錯的選擇。負載了磷酸鹽的雪硅鈣石有望作為磷礦石的替代產品。
總體而言，污水磷回收的研究仍處于工藝開發、不同規模工藝和裝置的試驗階段。研究較多的是工藝條件的控制與優化、磷酸鹽結晶晶種的選擇、產品的利用方式等問題。
中國亟須重視磷的循環再利用
從污水中回收磷在我國仍是一個很新的課題。國內已經有少量學者開始研究污水磷回收的技術，并進行了中試。筆者近年來在污水磷回收工藝原理和技術的研究方面得到了國家自然科學基金和國家科技支撐計劃的資助，已在磷回收工藝技術方面取得了較好進展。
我國是磷礦資源大國，總儲量在世界上名列前茅，但是高品位磷礦資源并不多。而且，由于我國是人口大國，人均磷礦資源并不豐富。根據國土資源部相關統計，我國現有27億噸折標磷礦，儲量僅夠維持使用70年左右。美國限制對日本的磷礦出口后，日本在減少磷礦進口總量的同時，轉而從我國進口大量的磷礦石，值得關注。
我國環境界早就認識到氮磷營養物污染對水環境造成的危害，在環境保護重點地區開始了限制有磷洗衣粉的行動。國家還要求在水環境保護重點地區的污水處理廠進行脫氮除磷，但是實施效果并不理想。總體上，我國對水環境營養物的控制力度不夠。“十一五”期間，國家提出的水污染物總量控制的剛性指標只是COD（化學需氧量）一項。目前，提高城鎮污水處理率仍是水環境保護最基本的工作目標之一。
在城市污水處理的發展歷程中，首先是COD的去除，進而是脫氮除磷，然后到氮磷的回收，這是水環境保護工作循序漸進的發展過程。從污水中回收資源，將資源利用與環境保護結合起來，是水環境保護的高級階段，也是可持續發展思想的體現。今后，我國將會進一步加強對水環境氮磷營養物污染的控制，尤其是在水環境保護的重點流域。如果能夠將污水除磷和磷回收結合起來，并且能使回收的磷產品有一定經濟收益，不僅有望降低污水處理的綜合成本，而且節約了寶貴的磷礦資源。
目前，制約磷回收大規模產業化的障礙主要在于其成本仍然較高，不能與普通磷礦石的價格進行競爭。如果不對回收的磷礦石采取特殊價格政策支持，這種局面將難以改變。另外，由于磷礦資源在全球的分布不均，人們對回收這種不可再生資源的緊迫性的認識是不一樣的。我國的磷礦資源較豐富，確實會對磷回收技術的發展動力產生影響。但是，由于磷元素是人類生活不可缺少的元素，隨著時間的推移和磷礦資源的日益耗竭，將來總有一天，人們對磷礦資源的重視將會比對能源更加重視。但到那時，是否為時已晚？我國作為發展中的人口大國，結合環境保護的需求，制定磷礦資源利用、回收、循環再利用的策略是十分必要和緊迫的。
宋永會:國環境科學研究院科技創新基地城市水環境研究室首席專家，博士、研究員、博士生導師。主要研究方向為水體和廢水營養物污染控制、城市水環境質量改善與綜合管理。
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