深度|污水資源化帶動可持續發展模式
磷是地球上一種不可再生的有限自然資源，同時，全球普遍存在著陸地磷礦資源日益匱乏與水環境中磷含量過高而導致水體富營養化這一矛盾。資源與環境的矛盾正推動著回收磷的理念快速傳播，并同時推進了一系列研發技術的實際應用。
除此之外，從污水或污泥中提取磷并且對其進行合理農業利用的綜合技術方向愈來愈受到重視。本文將從磷回收的技術角度切入，并以加拿大Ostara公司的磷回收技術為案例，解析磷回收技術如何與農業種植完成產業融合，從而通過污水資源化帶動可持續發展模式。
磷回收的現狀
磷回收工藝多種多樣，包括化學沉淀法、強化生物除磷工藝與化學沉淀結合工藝、結晶法、吸附/解吸法等傳統方法，還包括源分離技術、MBR工藝、動物糞尿回收磷技術、生物質磷回收技術、污泥及焚燒灰回收磷以及納米技術等新型技術。
以前磷回收多數是在污水或污泥脫水上清液內進行，但現在可以直接在消化污泥內進行磷回收。對消化污泥進行磷回收之后，可以有效提高后續脫水污泥的含固量，從而大幅度降低污泥處置費用。
原則上說，在污水處理廠的各污水處理和污泥處理工段內都可以進行磷回收。包括：
在污泥脫水機房的回流工藝水(污泥脫水后的上清液)內進行磷回收
在污泥消化塔和污泥脫水機房之間的消化污泥內進行磷回收
從單污泥焚燒爐的污泥灰燼內進行磷回收
在上述提及的磷回收情況中，應用最為廣泛的是從市政污泥固體物質或污泥灰燼內定向抽提回收營養物質。主要原因是在污水處理或污泥處理過程中所產生的固體物質內含有很高濃度的營養物質。但從固體物質回收磷的處理工藝十分繁瑣昂貴，必須事先采用生物、化學和機械方法，將和污泥或灰燼結合在一起的磷轉化成溶解性的正價態磷元素之后才能進行磷回收。
與此相反，雖然液相內的磷含量濃度較低，但在液相內進行磷回收的處理工藝則明顯簡單容易。此時采用的磷回收工藝利用了沉淀結晶原理，可以快速簡單地整合安裝在污水處理廠內。這些處理工藝在近些年來已經變得十分成熟，目前已在全球許多大型污水處理廠內獲得成功應用。
磷回收的主要產品形式為磷酸鐵、磷酸鋁、鳥糞石(簡稱MAP)和羥磷灰石等磷酸鹽沉淀物。在各種磷酸鹽回收產物中鳥糞石倍受青睞，原因在于鳥糞石中P含量折算成P2O5標準量后可達51.8%，而目前世界上最高品質的磷礦石含量為46%(P2O5≥30%即被定義為富磷礦)。由此可見，以鳥糞石形式回收磷無異于發現了富磷礦。更重要的是，鳥糞石可以直接或間接被用作農業、林業優質肥料。
Ostara的磷回收工藝
Ostara公司總部位于加拿大溫哥華，專注于幫助污水廠實現營養物質回收和資源的產品化。主推的磷回收工藝是Pearl反應器。其營養物質管理方案能夠使污水廠在處理污水的過程中有效回收磷、氮等營養物質，并將其加工成為高效環保的生態化肥產品，使有可能破壞生態環境平衡的氮磷等營養物質進入健康可持續的生態循環之中。這種方式不但能幫助污水廠達到排放標準，提高出水水質，同時也通過資源回收實現了減少能耗，降低運行和生產成本的目標。Ostara公司的營養物質回收系統目前在北美、歐洲等國家和地區的污水廠中使用。
Pearl工藝
Pearl工藝是Ostara公司專門針對鳥糞石的綜合性專利解決方案。該技術主要是基于在液化床反應器中控制化學結晶程度，使鳥糞石轉化成高純度的結晶顆粒。
圖1 PEARL反應器
Pearl工藝主要用于直接對污泥水進行磷回收。在一個流化床反應器內，通過投加氯化鎂和氫氧化鈉(反應器內pH值被調節設置在7.2和8.0之間)，可在反應器內沉淀形成MAP。被處理的污泥水從下向上穿流反應罐。作為補充，一部分污泥水進行內部環流，產生流化效應。也因為這一原因，這一處理工藝所需要的反應器體積和相應投資費用就變得很大。
MAP的長晶，或者說MAP圓形大顆粒的形成是在反應器內鳥糞石結晶種基礎上形成。在流化床內，晶種始終不斷地與新沉淀的MAP相接觸，并逐漸變大。直到晶體直徑長大至6 mm時，因為顆粒本身重量原因下沉至反應器底部，此時MAP以產品形式排出裝置。這些MAP產品后續還必須進行干燥處理。
Pearl工藝可以使污水廠取得高達85%的磷去除率，還能去除污泥脫水消化液中40%的氨氮負荷。同時，污水廠還實現了營養物質回收和資源產品化，其出產的化肥以CrystalGreen®品牌進入市場。
圖2 Pearl反應器工作原理
圖3 Pearl工藝路線圖
CrystalGreen®磷肥
Crystal Green®磷肥完全由Pearl工藝產生，不含有機微量污染物質和治病微生物，重金屬含量甚至低于傳統的磷肥標準。Crystal Green®磷肥的市場銷售目前是由Ostara公司自己進行。
圖4 Crystal Creen®品牌的鳥糞石化肥
傳統的化肥只有在經過灌溉或有水的情況下才會釋放營養成分，Crystal Green®磷肥卻可以直接根據植物根部的需求在整個生長季節穩定持續地釋放磷、氮、鎂等營養物質，同時防止因雨水沖刷等因素造成的營養物質流失，提高了有效地促進農作物生長和成熟。
圖5 營養物釋放速率對比
根據Pearl工藝對結晶過程的控制，Crystal Green®磷肥可以形成四種不同的顆粒尺寸，分別用于草皮種植、觀賞植物培育、園藝、和農業應用。Crystal Green®磷肥適應現有的農業基礎設施，允許直接替代傳統的磷酸鹽肥料。
圖6 Crystal Green®磷肥的四種顆粒尺寸
案例分析
Ostara公司目前在北美和歐洲擁有14個案例，幫助各個污水廠積極應對營養物污染并促進糧食安全。
表1 Ostara公司案例目錄
芝加哥Stickney污水處理廠
美國芝加哥Stickney污水處理廠是世界上最大的污水處理廠，受芝加哥大區污水管理局(MWRD)的監管。該廠位于美國芝加哥西南部，是一座具有90多年歷史的污水處理廠。Stickney污水廠的處理量最大約為529萬m3/d，實際污水處理量在270萬m3/d左右。
芝加哥的污水處理出水排放標準一直在不斷提高，其中磷排放限值提升到了1.0mg/L。愈發嚴格的出水排放標準，加之MWRD的污水處理設備長期以來積累了大量鳥糞石形態的礦物質附著物，對管道和設備造成了破壞，MWRD決定對其管理的位于伊利諾伊州Cicero市的Stickney污水廠進行改造，建立新的磷管理系統以應對這些挑戰。
Ostara在污水資源管理上的表現得到了MWRD的認可。MWRD在2013年底與Ostara和Black&Veatch簽訂了合作協議，為其管理的Stickney 污水廠設計和建造營養物質回收系統(Resource RecoverySystem)。
在Stickney污水廠營養物質回收系統改造項目中，Black&Vealch提供設計、采購和建造方面的服務，而Ostara公司將負責提供營養回收系統的技術和設備支持，并且在項目完工后繼續在系統運行和維護上提供幫助。
該項目總投資3100萬美元，已于2016年5月24日正式投入使用，據預測，這套磷回收設備能回收85%的磷和15%的氮。該營養物質回收系統預計將幫助Stikney污水廠減少30%的磷排放，并且每年可以產出1萬噸Crystal Green®化肥，其每噸價格可達400美元，除去項目成本，MWRD將得到每年200萬美元的投資回報。
荷蘭Amersfoort污水廠項目
荷蘭Amersfoort污水廠的處理能力為6萬m3/d，選用Pearl®2000型反應器，數量為1座，安裝方式為舊設施改造。目前每年出產Crystal Green®化肥可達900噸，預計5~7年內實現項目盈利。
加拿大Gold Bar污水廠項目
加拿大Gold Bar污水廠的處理能力30萬m3/d，選用Pearl®10000型反應器，數量為1座，安裝方式為新建。目前每年出產Crystal Green®化肥可達2000噸。
英國Slough污水廠項目
英國Slough污水廠的處理能力5.7萬m3/d，選用Pearl®500型反應器，數量為1座，安裝方式為新建。目前每年出產Crystal Green®化肥可達150噸。
加拿大H.M. Weir污水廠項目
加拿大H.M. Weir污水廠的處理能力7.5萬m3/d，選用Pearl®2000型反應器，數量為1座，安裝方式為舊設備改造。目前每年出產Crystal Green®化肥可達730噸。
總結
所謂資源，放錯地方有可能是垃圾，放對地方才是寶。如本文所談及的鳥糞石，當它在污水系統中回流時，就變成阻塞管道和閥門的問題所在，而且維修成本不菲。一般污水處理廠通過化學方式除磷，但化學藥劑的價格也不便宜，并且產生的污泥還要處理。所以Ostara的磷回收技術，與其說把磷變成肥料商品，倒不如說它用更低的運行成本使污水達標排放。
許多國家已經將磷礦產視為21世紀的一種戰略資源，加大對各種磷回收工藝的研發與應用。磷回收是緩解磷資源匱乏現狀行之有效的方法，同時也是控制水體富營養化的重要手段，這與我國目前和今后奉行的可持續發展戰略不謀而合。目前世界經濟的衰退雖然可暫時緩解一下磷資源的緊張狀況，但是，經濟一旦復蘇，勢必加劇磷礦產資源的匱乏速度。在磷資源問題上，等待和觀望只有死路一條，惟有主動回收方為上策。
磷回收這一技術舉措已經不僅僅是污水處理方面的專利。磷回收技術思路目前已經涉及到污水以外的其它領域，比如農業利用。如何將磷回收技術與農業生產進行融合，加拿大Ostara公司事先士卒，樹立了行業楷模。磷對農業生產至關重要，幾乎所有農作物的生長都離不開磷。但是大量的磷會對水質和生態系統造成嚴重的負面影響。加拿大Ostara公司的營養物質回收項目通過建立新的營養物質回收系統，污水中的磷、氮等得以轉化成化肥，以有利于環境的形態進入自然生態系統循環之中，保障了飲用水安全和流域健康;而磷肥使污水中的資源得以產品化。磷回收項目很好地展示了如何利用新技術將傳統的污水廠轉變成資源回收中心。
隨著科技和社會的不斷發展，行業融合已經逐漸成為一種趨勢，只有找到合理的出路，才能使生態環境真正實現“綠水青山”和“金山銀山”的雙贏。
原標題:污水資源化帶動可持續發展模式
