1、双碳背景下市政污泥回收磷技术与应用前景杨长明同济大学环境科学与工程学院2023年2月26日中国给水排水中国给水排水2023年中国城镇污泥处理处置技术与应用高级研讨会年中国城镇污泥处理处置技术与应用高级研讨会（中（中国杭州，国杭州，2023.02.24-27）一市政污泥磷回收的重要意义三“双碳”背景下的磷回收技术四污泥磷回收原理及现有技术目录 CONTENTS五结论与展望二市政污泥磷形态与组分特征污泥磷回收重要意义为何回收磷PART 1 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

2、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，简单的讲，污泥是污水中的固体部分。污泥的化学组成（1）养分：有机质、氮、磷、钾和植物所需的微量元素（2）有机污染物：氯酚(CPs)、氯苯(CBs)、硝基苯(NBs)、多氯联苯(PCBs)、多氯代二苯并二嗯英/呋喃(PCDD/Fs、邻苯二甲酸酯(Pes)、多环芳烃(PAHs)和有机农药等。（3）重金属：铜、锌、铅、福等重金属1 1、污泥处理处置技术概况、污泥处理处置技术概况1 1、污泥处理处置技术概况、污泥处理处置技术概况（一）国内污泥现状（一）国内污泥现状截至2019年年12月底：月底：污水处理厂数量：5000多

3、座多座 污水处理能力：2.28亿亿m/d含水量80%的污泥：6000多万吨多万吨少部分污泥进行浓缩、脱水、堆肥和消化等处理，但少部分污泥进行浓缩、脱水、堆肥和消化等处理，但70%70%的的原污泥未经妥善处理使得土壤环境受到严重污染。原污泥未经妥善处理使得土壤环境受到严重污染。1 1、污泥处理处置技术概况、污泥处理处置技术概况污泥污泥污染性资源可利用性（二）污泥特性及处理处置方法（二）污泥特性及处理处置方法污泥处理污泥处置浓缩脱水好氧发酵厌氧消化卫生填埋土地利用建材利用焚烧影响污泥生物稳定化过程主要影响污泥生物稳定化过程主要因子：因子：（1）有机质（）有机质（VS)；（2）营养组成（）营养组成（

4、C/N);（3）有毒有害物质（如重金）有毒有害物质（如重金属属HMs、POPs）1 1、污泥处理处置技术概况、污泥处理处置技术概况InnovationProfessionalInnovationProfessionalInnovationProfessionalInnovationProfessional引言缺磷磷是生物体生长所必需的元素之一，总的来说，由于磷元素在地球上呈现单向循环的特点，陆地磷矿是一种不可再生的资源，且分布不均、总量有限，据预测全球磷矿资源将在45-100年内枯竭污泥含磷在我国，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%。而污水中的磷在活性污泥法处理后，有90%

5、进入了污泥之中。如果能将市政污泥中的磷进行资源化回收，则可以缓解磷资源紧缺的现状新的目标结合“双碳”战略目标，发展新的磷回收技术磷矿资源全球分布InnovationProfessional污泥磷形态及及其组分特征磷形态决定其回收方法PART 2u污水污泥中磷的种类、组分和特性污水污泥中磷的种类、组分和特性:从回收角度的探讨从回收角度的探讨污泥中磷的回收效率和成本在很大程度上取决于不同污泥污泥中磷的回收效率和成本在很大程度上取决于不同污泥(即废活性即废活性污泥污泥WAS和化学强化初沉污泥和化学强化初沉污泥CEPS)中磷的种类和比例。中磷的种类和比例。污泥中磷的形态和组分：污泥中磷的形态和组分：磷

6、形态：包括磷形态：包括OP和和IP OP：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：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、二酯二酯-P、磷脂和植酸、磷脂和植酸 IP：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：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）的结合产生离子）的结合产生 磷组分：聚磷含量占总磷磷组分：聚磷含量占总磷(TP)的的30-80%，IP次之，占次之，占TP的的10-30%，OP占占TP的的5-30%污泥中磷的形态和组分1InnovationProfessional我

7、国各地市政磷含量及形态分布市政污泥中磷的含量市政污泥中各形态磷含量u影响污泥中磷组分的因素：影响污泥中磷组分的因素：1.原污水对污泥中磷组分的影响：原污水对污泥中磷组分的影响：原污水含原污水含OP、管网微生物产磷，直接影响磷组分；、管网微生物产磷，直接影响磷组分；原污水其他组分间接影响磷含量，碳源增加细胞磷产量、金属离子影响原污水其他组分间接影响磷含量，碳源增加细胞磷产量、金属离子影响IP组分；组分；区域差异；区域差异；12.除磷方法对污泥中磷形态的影响除磷方法对污泥中磷形态的影响生物磷去除技术增加了污泥中生物磷去除技术增加了污泥中OP和和poly-P（多聚磷）含量，化学磷去除技术提高了（多聚

8、磷）含量，化学磷去除技术提高了污泥中污泥中IP和少量和少量OP的含量的含量此外，好氧池中的曝气和增加的固体停留时间将导致非晶相的不稳定吸附此外，好氧池中的曝气和增加的固体停留时间将导致非晶相的不稳定吸附IP转化为转化为成熟阶段的稳定吸附成熟阶段的稳定吸附IP干化过程对污泥磷形态的影响干化过程对污泥磷形态的影响u用去离子水提取的用去离子水提取的P量和干燥后残留的量和干燥后残留的P含量含量几乎保持不变。几乎保持不变。u而处理后的而处理后的P含量与干燥后样品的含量与干燥后样品的P含量的比含量的比例可能因为例可能因为SS的来源而显著变化。的来源而显著变化。u新鲜和干燥样品中的大部分磷都是无机磷。在新鲜

9、和干燥样品中的大部分磷都是无机磷。在新鲜样品中，无机磷的比例约为新鲜样品中，无机磷的比例约为5577%,而在而在烘干样品中，无机磷的比例约为烘干样品中，无机磷的比例约为7589。u实验证实，随着实验证实，随着SS干燥过程中温度的升高，干燥过程中温度的升高，OP转化为转化为IP，P的生物有效性也增加。的生物有效性也增加。3小结小结u不同污泥，如不同污泥，如WAS和和CEPS的磷组分有很大差异；的磷组分有很大差异；u经过总结，经过总结，WAS中的磷组分是中的磷组分是IP(约占总磷的约占总磷的21%)、OP(占总磷的占总磷的10-30%)和和poly-P(占总磷的占总磷的30-80%)；而；而CEP

10、S的磷组分是的磷组分是IP(占总磷的占总磷的83-89%)和和OP(占总占总磷的磷的13-19%)。u化学沉淀的磷占化学沉淀的磷占WAS中中IP的的4578%,污水衍生的磷占污水衍生的磷占WAS中中IP的的1437%。在。在CEPS中，中，IP几乎都是化学沉淀的几乎都是化学沉淀的P；对于；对于CEPS的化学沉淀磷，被金属氧化物和的化学沉淀磷，被金属氧化物和金属氢氧化物吸附的吸附磷占化学沉淀磷的金属氢氧化物吸附的吸附磷占化学沉淀磷的4559%,以磷酸铁化合物存在的以磷酸铁化合物存在的Fe-P占化学沉淀磷的占化学沉淀磷的2052%。u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不同的污水除

11、磷工艺对污泥中磷的形态及组分起到主导作用。1污泥磷回收原理及现有技术传统磷回收PART 3InnovationProfessional磷回收原理污泥中磷的含量占污泥干重约1%-3%，主要以正磷酸离子等无机磷形式存在。我国市政污水中含正磷酸离子质量浓度为21-270 mg/L。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。InnovationProfessional湿化学反应法原理常见回收物工艺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

12、 的 回 收 物 是 鸟 粪 石（MAP）。污泥预处理完成后，添加氧化镁、氢氧化镁或者氯化镁作为镁源，补充氨氮，反应后形成MAP沉淀。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Phosni x、Pearl、Wa s s t r i p、Crystalactor等工艺。InnovationProfessionalInnovationProfessional热处理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，污泥中的磷几乎全部保留下来。热处理后，污泥中的有机物等组分含量大幅降低，磷得到富集，利于回收。如可以通过酸处

13、理，再进入如上的湿化学流程；也可以再进一步热处理直接提取。电热磷回收工艺可以用于高磷低铁的污泥处理，使用钙、镁作为磷沉淀 剂；该 工 艺 目 前 在 荷 兰 的Thermphos公司投入使用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ABCD原理电热磷回收AS

14、H DECSCWGInnovationProfessionalInnovationProfessionalInnovationProfessional两种工艺比较系统简单，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VS湿化学反应热处理InnovationProfessionalInnovationProfessional“双碳”背景下的 磷回收技术新目标新技术PART 4InnovationProfessional背景2020年9月中国明确提出2030年“碳达峰”与2060年“碳中和”目

15、标。在此背景下，市政污水污泥处理也需要碳减排。上述现有的一些技术工艺，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。InnovationProfessional浓缩污泥回收法项目名称输入关键词简介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。通过开发控制MAP沉淀的工艺既可以解决这个问题，同时也可以实现磷的回收AirPrex工艺AirPrex工艺将

16、消化污泥通过圆柱形反应器，曝气赶出二氧化碳并将污泥推至反应器上部，再加入MgCl2沉淀出MAP，其磷酸盐回收率达到了80-90%。该工艺相对较为节能，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。AirPrex工艺示意图热处理回收磷的优势热处理回收磷的优势u从污水或污泥中回收磷是可能的，但回收率低于从污水或污泥中回收磷是可能的，但回收率低于50%，而从灰渣中回收磷的回收率，而从灰渣中回收磷的回收率可达可达90%。除了单一焚烧之外，还有其他热处理工艺，如水热碳化、气化和热解。除了单一焚烧之外，还有其他热处理工艺，如水热碳化、气化和热解。uSS处理过程中产生的固体产物处理过

17、程中产生的固体产物(碳氢化合物、焦炭和灰烬碳氢化合物、焦炭和灰烬)也含有大量的磷。其他热也含有大量的磷。其他热处理过程能够去除有机污染物和病原体，从而大幅减少废物，并可回收能量和养分。处理过程能够去除有机污染物和病原体，从而大幅减少废物，并可回收能量和养分。u由于磷不容易挥发，热处理后，其大部分留在污泥灰中。磷的挥发需要超过由于磷不容易挥发，热处理后，其大部分留在污泥灰中。磷的挥发需要超过9001200C的高温，因此热处理时只有的高温，因此热处理时只有10%的磷会挥发损失。出于回收率的考虑，的磷会挥发损失。出于回收率的考虑，热处理后再回收磷是优于湿法回收的。热处理后再回收磷是优于湿法回收的。3

18、优化热处理回收磷的循环流程优化热处理回收磷的循环流程3InnovationProfessionalInnovationProfessional结合生物处理除磷与回收同步污泥生物预处理优点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。要对污水污泥以及聚磷生物进行一定的厌氧处理以提高磷的释放效率。碳是可以在污水污泥中回收的关键能源；碳回收作为异养反硝化的碳源和作为能量循环的沼气是实现“碳中和”的两种选择。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

19、收磷的同步进行。有测流化学除磷工艺等工艺技术，可结合生物膜回收磷。InnovationProfessional源分离技术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%，且通常不含病原体、重金属离子，是优秀的肥料。将尿液中的磷元素提取出来进行回收的技术被称为源分离技术。目前从尿液中回收磷的技术有蒸发、化学沉淀等。分离后的尿液在自然沉降状态下，投加额外的镁源镁源，可以形成MAP；系统所需要的能量来自于系统内部，可实现碳减排。通过这种工艺，分离后的尿液磷回收率达70%，总磷去

20、除效率达到90%。InnovationProfessional总结磷回收工艺优点缺点湿化学反应系统简单，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回收率低焚化污泥回收工艺回收率高；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

21、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u 增强污泥焚烧回收磷的工艺优化研究增强污泥焚烧回收磷的工艺优化研究本研究提出了一个新的回收系统，结合本研究提出了一个新的回收系统，结合ISSA酸浸酸浸出和磷选择性吸附剂回收磷。出和磷选择性吸附剂回收磷。磷回收系统的主要结果如下：磷回收系统的主要结果如下：2)当氢氧化钙以当氢氧化钙以P:Ca摩尔比为摩尔比为1:3加入解吸溶液时，加入解吸溶液时，约约95%的磷沉淀。沉淀剂的磷沉淀。沉淀剂(磷回收产物磷回收产物)的矿物学组的矿物学组成与羟基磷灰石相似。在磷回收产品中磷浓度高，成与羟基磷灰石相似。在磷回收产品中磷浓度高，适

22、合用作肥料适合用作肥料3)磷回收系统可回收磷回收系统可回收ISSA中至少中至少70%的磷。的磷。5污泥热处理过程中，无机磷和金属离子之间会发生污泥热处理过程中，无机磷和金属离子之间会发生反应，导致含磷矿物的形成；焚烧灰中的磷通常以反应，导致含磷矿物的形成；焚烧灰中的磷通常以不溶性钙和铝磷酸盐矿物的形式存在，其生物可利不溶性钙和铝磷酸盐矿物的形式存在，其生物可利用性低。用性低。结语总结技术及展望PART 5InnovationProfessional结论与展望技术背景现有技术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。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工艺。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，可以作为未来的研究方向。污泥磷回收产物对土壤及作物生长的影响也要进行深入研究。未来谢谢观看E-mail:手机号：（同微信号）