深度|污水资源化带动可持续发展模式
磷是地球上一种不可再生的有限自然资源，同时，全球普遍存在着陆地磷矿资源日益匮乏与水环境中磷含量过高而导致水体富营养化这一矛盾。资源与环境的矛盾正推动着回收磷的理念快速传播，并同时推进了一系列研发技术的实际应用。
除此之外，从污水或污泥中提取磷并且对其进行合理农业利用的综合技术方向愈来愈受到重视。本文将从磷回收的技术角度切入，并以加拿大Ostara公司的磷回收技术为案例，解析磷回收技术如何与农业种植完成产业融合，从而通过污水资源化带动可持续发展模式。
磷回收的现状
磷回收工艺多种多样，包括化学沉淀法、强化生物除磷工艺与化学沉淀结合工艺、结晶法、吸附/解吸法等传统方法，还包括源分离技术、MBR工艺、动物粪尿回收磷技术、生物质磷回收技术、污泥及焚烧灰回收磷以及纳米技术等新型技术。
以前磷回收多数是在污水或污泥脱水上清液内进行，但现在可以直接在消化污泥内进行磷回收。对消化污泥进行磷回收之后，可以有效提高后续脱水污泥的含固量，从而大幅度降低污泥处置费用。
原则上说，在污水处理厂的各污水处理和污泥处理工段内都可以进行磷回收。包括：
在污泥脱水机房的回流工艺水(污泥脱水后的上清液)内进行磷回收
在污泥消化塔和污泥脱水机房之间的消化污泥内进行磷回收
从单污泥焚烧炉的污泥灰烬内进行磷回收
在上述提及的磷回收情况中，应用最为广泛的是从市政污泥固体物质或污泥灰烬内定向抽提回收营养物质。主要原因是在污水处理或污泥处理过程中所产生的固体物质内含有很高浓度的营养物质。但从固体物质回收磷的处理工艺十分繁琐昂贵，必须事先采用生物、化学和机械方法，将和污泥或灰烬结合在一起的磷转化成溶解性的正价态磷元素之后才能进行磷回收。
与此相反，虽然液相内的磷含量浓度较低，但在液相内进行磷回收的处理工艺则明显简单容易。此时采用的磷回收工艺利用了沉淀结晶原理，可以快速简单地整合安装在污水处理厂内。这些处理工艺在近些年来已经变得十分成熟，目前已在全球许多大型污水处理厂内获得成功应用。
磷回收的主要产品形式为磷酸铁、磷酸铝、鸟粪石(简称MAP)和羟磷灰石等磷酸盐沉淀物。在各种磷酸盐回收产物中鸟粪石倍受青睐，原因在于鸟粪石中P含量折算成P2O5标准量后可达51.8%，而目前世界上最高品质的磷矿石含量为46%(P2O5≥30%即被定义为富磷矿)。由此可见，以鸟粪石形式回收磷无异于发现了富磷矿。更重要的是，鸟粪石可以直接或间接被用作农业、林业优质肥料。
Ostara的磷回收工艺
Ostara公司总部位于加拿大温哥华，专注于帮助污水厂实现营养物质回收和资源的产品化。主推的磷回收工艺是Pearl反应器。其营养物质管理方案能够使污水厂在处理污水的过程中有效回收磷、氮等营养物质，并将其加工成为高效环保的生态化肥产品，使有可能破坏生态环境平衡的氮磷等营养物质进入健康可持续的生态循环之中。这种方式不但能帮助污水厂达到排放标准，提高出水水质，同时也通过资源回收实现了减少能耗，降低运行和生产成本的目标。Ostara公司的营养物质回收系统目前在北美、欧洲等国家和地区的污水厂中使用。
Pearl工艺
Pearl工艺是Ostara公司专门针对鸟粪石的综合性专利解决方案。该技术主要是基于在液化床反应器中控制化学结晶程度，使鸟粪石转化成高纯度的结晶颗粒。
图1 PEARL反应器
Pearl工艺主要用于直接对污泥水进行磷回收。在一个流化床反应器内，通过投加氯化镁和氢氧化钠(反应器内pH值被调节设置在7.2和8.0之间)，可在反应器内沉淀形成MAP。被处理的污泥水从下向上穿流反应罐。作为补充，一部分污泥水进行内部环流，产生流化效应。也因为这一原因，这一处理工艺所需要的反应器体积和相应投资费用就变得很大。
MAP的长晶，或者说MAP圆形大颗粒的形成是在反应器内鸟粪石结晶种基础上形成。在流化床内，晶种始终不断地与新沉淀的MAP相接触，并逐渐变大。直到晶体直径长大至6 mm时，因为颗粒本身重量原因下沉至反应器底部，此时MAP以产品形式排出装置。这些MAP产品后续还必须进行干燥处理。
Pearl工艺可以使污水厂取得高达85%的磷去除率，还能去除污泥脱水消化液中40%的氨氮负荷。同时，污水厂还实现了营养物质回收和资源产品化，其出产的化肥以CrystalGreen®品牌进入市场。
图2 Pearl反应器工作原理
图3 Pearl工艺路线图
CrystalGreen®磷肥
Crystal Green®磷肥完全由Pearl工艺产生，不含有机微量污染物质和治病微生物，重金属含量甚至低于传统的磷肥标准。Crystal Green®磷肥的市场销售目前是由Ostara公司自己进行。
图4 Crystal Creen®品牌的鸟粪石化肥
传统的化肥只有在经过灌溉或有水的情况下才会释放营养成分，Crystal Green®磷肥却可以直接根据植物根部的需求在整个生长季节稳定持续地释放磷、氮、镁等营养物质，同时防止因雨水冲刷等因素造成的营养物质流失，提高了有效地促进农作物生长和成熟。
图5 营养物释放速率对比
根据Pearl工艺对结晶过程的控制，Crystal Green®磷肥可以形成四种不同的颗粒尺寸，分别用于草皮种植、观赏植物培育、园艺、和农业应用。Crystal Green®磷肥适应现有的农业基础设施，允许直接替代传统的磷酸盐肥料。
图6 Crystal Green®磷肥的四种颗粒尺寸
案例分析
Ostara公司目前在北美和欧洲拥有14个案例，帮助各个污水厂积极应对营养物污染并促进粮食安全。
表1 Ostara公司案例目录
芝加哥Stickney污水处理厂
美国芝加哥Stickney污水处理厂是世界上最大的污水处理厂，受芝加哥大区污水管理局(MWRD)的监管。该厂位于美国芝加哥西南部，是一座具有90多年历史的污水处理厂。Stickney污水厂的处理量最大约为529万m3/d，实际污水处理量在270万m3/d左右。
芝加哥的污水处理出水排放标准一直在不断提高，其中磷排放限值提升到了1.0mg/L。愈发严格的出水排放标准，加之MWRD的污水处理设备长期以来积累了大量鸟粪石形态的矿物质附着物，对管道和设备造成了破坏，MWRD决定对其管理的位于伊利诺伊州Cicero市的Stickney污水厂进行改造，建立新的磷管理系统以应对这些挑战。
Ostara在污水资源管理上的表现得到了MWRD的认可。MWRD在2013年底与Ostara和Black&Veatch签订了合作协议，为其管理的Stickney 污水厂设计和建造营养物质回收系统(Resource RecoverySystem)。
在Stickney污水厂营养物质回收系统改造项目中，Black&Vealch提供设计、采购和建造方面的服务，而Ostara公司将负责提供营养回收系统的技术和设备支持，并且在项目完工后继续在系统运行和维护上提供帮助。
该项目总投资3100万美元，已于2016年5月24日正式投入使用，据预测，这套磷回收设备能回收85%的磷和15%的氮。该营养物质回收系统预计将帮助Stikney污水厂减少30%的磷排放，并且每年可以产出1万吨Crystal Green®化肥，其每吨价格可达400美元，除去项目成本，MWRD将得到每年200万美元的投资回报。
荷兰Amersfoort污水厂项目
荷兰Amersfoort污水厂的处理能力为6万m3/d，选用Pearl®2000型反应器，数量为1座，安装方式为旧设施改造。目前每年出产Crystal Green®化肥可达900吨，预计5~7年内实现项目盈利。
加拿大Gold Bar污水厂项目
加拿大Gold Bar污水厂的处理能力30万m3/d，选用Pearl®10000型反应器，数量为1座，安装方式为新建。目前每年出产Crystal Green®化肥可达2000吨。
英国Slough污水厂项目
英国Slough污水厂的处理能力5.7万m3/d，选用Pearl®500型反应器，数量为1座，安装方式为新建。目前每年出产Crystal Green®化肥可达150吨。
加拿大H.M. Weir污水厂项目
加拿大H.M. Weir污水厂的处理能力7.5万m3/d，选用Pearl®2000型反应器，数量为1座，安装方式为旧设备改造。目前每年出产Crystal Green®化肥可达730吨。
总结
所谓资源，放错地方有可能是垃圾，放对地方才是宝。如本文所谈及的鸟粪石，当它在污水系统中回流时，就变成阻塞管道和阀门的问题所在，而且维修成本不菲。一般污水处理厂通过化学方式除磷，但化学药剂的价格也不便宜，并且产生的污泥还要处理。所以Ostara的磷回收技术，与其说把磷变成肥料商品，倒不如说它用更低的运行成本使污水达标排放。
许多国家已经将磷矿产视为21世纪的一种战略资源，加大对各种磷回收工艺的研发与应用。磷回收是缓解磷资源匮乏现状行之有效的方法，同时也是控制水体富营养化的重要手段，这与我国目前和今后奉行的可持续发展战略不谋而合。目前世界经济的衰退虽然可暂时缓解一下磷资源的紧张状况，但是，经济一旦复苏，势必加剧磷矿产资源的匮乏速度。在磷资源问题上，等待和观望只有死路一条，惟有主动回收方为上策。
磷回收这一技术举措已经不仅仅是污水处理方面的专利。磷回收技术思路目前已经涉及到污水以外的其它领域，比如农业利用。如何将磷回收技术与农业生产进行融合，加拿大Ostara公司事先士卒，树立了行业楷模。磷对农业生产至关重要，几乎所有农作物的生长都离不开磷。但是大量的磷会对水质和生态系统造成严重的负面影响。加拿大Ostara公司的营养物质回收项目通过建立新的营养物质回收系统，污水中的磷、氮等得以转化成化肥，以有利于环境的形态进入自然生态系统循环之中，保障了饮用水安全和流域健康;而磷肥使污水中的资源得以产品化。磷回收项目很好地展示了如何利用新技术将传统的污水厂转变成资源回收中心。
随着科技和社会的不断发展，行业融合已经逐渐成为一种趋势，只有找到合理的出路，才能使生态环境真正实现“绿水青山”和“金山银山”的双赢。
原标题:污水资源化带动可持续发展模式
