市政污泥中磷的释放研究进展综述

市政污泥中磷的释放研究进展综述

彭信子;刘志刚;周思琦;戴翎翎;戴晓虎

【摘要】基于我国磷资源和市政污泥的现状，探讨了市政污泥中磷由固相释放至液相的几种方法及优缺点，包括生物、化学和热处理法；展望了市政污泥中磷释放技术的研究前景。%Based on the situation of phosphorus resource and urban sewage sludge in China,the approaches to release phosphorus from municipal sludge into liquid phase were discussed including biological treatment,chemical process and thermal treatment. The prospects for technical research in phosphorus release from municipal sludge were discussed.

【期刊名称】《净水技术》

【年(卷),期】2017(036)001

【总页数】6页(P27-32)

【关键词】城市污泥;磷释放;生物处理;化学处理;热处理

【作者】彭信子;刘志刚;周思琦;戴翎翎;戴晓虎

【作者单位】同济大学环境科学与工程学院，上海 200092;同济大学环境科学与工程学院，上海 200092;同济大学环境科学与工程学院，上海 200092;同济大学环境科学与工程学院，上海 200092;同济大学环境科学与工程学院，上海 200092【正文语种】中文

【中图分类】TU992.3

不同于氮的自然循环，陆地中的磷可转化为可溶性磷随水流进入水体，一部分通过同化作用成为水生动植物的细胞组成，一部分生成磷酸盐沉淀沉积水底，极少部分通过浅海鱼类返回陆地，其含量远低于矿化磷溶进入水体的磷，以至于磷在生物圈中大部分单向流动，是一种不可更新的宝贵资源。根据美国地质勘测(USGeological Survey，USGS)发布的信息和一些研究，世界上现有的磷矿石数

量为1.5～5.0×1010t，按照目前的消耗速度，在没有其他替代磷源的情况下，最多能维持100年［1］，而且磷矿石质量越来越低，重金属尤其是镉污染严重［2］。根据推测中国的基础磷矿储量仅可开采到2030年，磷矿资源保障能力较弱，特别是磷富矿资源即将面临枯竭境地，成为不能满足国民经济发展需求的矿产之一。

另一方面，随着我国城镇化的推进和环境保护要求的提高，我国污水处理设施建设的高速发展导致我国污水处理厂污泥产生量日益增加。这些污泥富集了大量的有机物、氮、磷等，其浓度远高于一般污/废水，如普通剩余污泥中磷的含量约为1%～3%［3］，采用强化生物除磷工艺可达6%～12%［4］。而截至2015年，我国污泥年产量已接近4 000万t(80%含水率，以下同)。按照一般预测，中国人

口在2020年～2025年间将达到顶峰，届时污泥产量也将突破6 000万t/a。依

此计算，我国每年污泥中的磷含量将达到60～720万t，这为磷的回收利用提供

了可能，使污泥成为一种潜在的可循环磷矿资源。污泥中的磷主要以3种形式存

在［5－6］:第一种是生理性磷，也称为有机磷，如DNA、RNA等;第二种为生物细胞内存储的聚磷;第三种是物理化学方式固定的磷。污泥中无机磷形态占60%以上，有机磷仅为10%～35%［7－8］。由此可见，污泥中的磷大部分存在于细胞内，因此要实现污泥中磷的有效回收，首先要采取各种稳定高效的方法将污泥中的细胞溶解、破壁，使磷尽可能地释放到液相中。

目前所采用的释磷方法主要包括生物处理、化学处理、热处理及上述方法的联合等。

生物处理释磷利用微生物的作用实现细胞的水解或分解，包括厌氧消化法和好氧消化法两种，其中以厌氧消化法为主。生物处理除磷原理如图1所示。

厌氧消化是指在无氧条件下，由厌氧细菌和兼性细菌将污泥中的有机物分解为甲烷、二氧化碳和水等的过程，是污泥达到减量化、稳定化的手段之一［9］。其中磷的释放主要发生在水解发酵和产氢产乙酸两个阶段，尤其是产氢产乙酸过程产生的VFAs(如乙酸、丙酸等)可作为碳源被聚磷菌直接利用，可大大促进厌氧条件下磷

的释放。对富磷剩余污泥厌氧消化过程的研究发现，常温厌氧消化18 d后，剩余污泥上清液的磷含量从0.90 mg/L上升到102.90mg/L［10］。中性或不控制

pH条件下，剩余污泥厌氧发酵溶出磷酸盐含量最低，酸性条件则能促进磷的释放，在pH值=5条件下经历4 d和20 d厌氧时间溶出的正磷酸盐浓度可分别达到

110 mg/L和250mg/L［11］。

厌氧消化法具有释磷效果明显、费用低廉等优点［12］，因此对厌氧消化法的研

究很多，但存在释磷速率慢、所需时间长、反应装置体积大、前期投资成本高等缺点，如一般传统厌氧消化释磷率在10 d左右才达到顶峰，此后缓慢增长［13］。研究表明，当厌氧时间为5 d时，其总磷释放率仅为37%，上清液磷浓度仅为

100 mg/L左右［14］，而12 d时则可达到57.7%［15］。

为了加快生物释磷速率，研究人员采用了多种手段。如将厌氧和好氧消化结合，可以使上清液中磷浓度达到200～300mg/L［16－17］，其他工艺手段包括控制厌氧消化的pH为酸性或碱性［18－20］、添加表面活性剂十二烷基硫酸钠［21－22］等，但从生物释磷的效果看，污泥生物释磷主要释放的是无机磷，对其中的

有机磷和化学磷基本没有效果。

化学处理释磷是通过投加酸、碱以及各种氧化剂等，使污泥中细胞或化学磷溶解或分解，从而将磷释放到液相中的方法。与生物释磷法不同，作用时间较短是化学法释磷的典型特征(一般1～3 h磷的释放速率达到最大［23］)。

3.1 酸、碱溶胞法

直接投加酸或者碱，可使污泥中细胞壁溶解，从而将细胞中的磷释放出来［24］，研究表明，只有pH值≤4或pH值≥10，才能实现细胞溶胞［25］，但Becerra

等［26］认为只有pH值＞11时才会发生溶胞作用，释放细胞中原本不溶的物质。通常酸、碱溶胞法对污泥中磷的释放程度不足，当pH值=12时，反应4.0 h总磷释放程度才达到50%，远小于超声波和热处理［27］，但酸、碱和热处理联合，

则可使污泥中磷释放程度达到94%［28］。

3.2 氧化法

氧化法是通过各种氧化剂溶解细胞的作用来强化细菌的自身氧化，破坏不容易被生物降解的细胞膜等，从而使细胞内物质能较快地溶解于液相中，在促进细胞内磷释放的同时也实现了污泥的减量化［29］，这些氧化剂主要为H2O2。经H2O2氧

化后，污泥上清液中的总磷浓度由28.8 mg/L升至53～63mg/L［30］。

化学释磷的优点是速率较快，效果比较明显，一般总磷释放程度可达75%～85%［31］，且稳定可靠，但需专门的投加和混合装置，且化学药剂投加量一般较大，导致其运行成本较高。

热处理法利用外加热源使污泥絮体结构解体，使污泥中一部分细胞物质从不溶态转为溶解态，从而使其中的磷元素更为快速地释放出来［32］。根据压力、温度和

加热方式不同，热处理法可分为低温(≤100℃)、高温(≥100℃)和光波加热3种方式。热处理法具有释磷效果好、时间短等优点，因此关于污泥热处理释磷成为当前该领域的研究热点之一，如微波辐射［33－34］、超声波辐射［35－36］、低温热处理［29，37］、高温热处理［38］等，污泥的热处理过程如图2所示。

4.1 光波加热法

光波加热指在用微波、超声波等方式处理污泥时导致体系温度自然升高的方式。利用超声波作用于液体，通过一系列物理和化学反应，改变液体中的溶解态和颗粒态