回收率80%!污水厂用磁铁回收贵价磷矿颜料

磷酸盐是磷矿的主要来源,80%的磷矿石都用于生产磷肥,剩下的20%用作生产洗涤剂、动物饲料等其他产品。主要的磷生产国有中国、美国、摩洛哥和俄罗斯。在欧洲,芬兰是唯一有磷矿的国家,但储量非常有限。

过去两年多的全球新冠疫情和日益紧张的国际关系让欧盟意识到,在特殊时期,商品和原材料的全球化流动在最坏的情况下,会有可能一夜中断。“没磷用”绝对是欧盟国家不敢想象的场景,所以他们在2014年将磷酸盐列入20种关键原材料清单,并在过去10年里积极寻找替代磷源,而污水处理厂是重点关注对象之一。最近,荷兰科学家称找到一种方法高效回收污水厂的磷资源——很简单,用磁铁就行。该技术已被一家大公司收购并注册了专利。他们是怎么做到的?我们在本期的《水星漫谈》里看个究竟。

磷酸盐岩是一种不可再生的有限资源,这些磷酸盐有20%左右最后进入了污水厂产生的污泥中。过去欧洲国家流行污泥农用,但随着对污泥中的有害物质的关注,荷兰和德国等国转而采用焚烧的方式来处理污泥。

除了焚烧,欧美不少公司都在探索如何从污水中回收磷并变成商业产品。这背后多得欧洲多国在政策上的转变和支持——例如瑞典,其实早在 2002 年,瑞典环保局就制定了 2015 年污水厂60%磷回用率的目标。瑞士也从2016年开始要求污泥和屠宰场也实施磷回收回用,并给予10年的过渡期。德国则在2017年通过了”污水污泥条例”修正案(- AbfKl?rV),要求在规定的过渡期(12年或15年)之后,所有规模超过5万人口当量的污水厂都必须从污泥或者污泥焚烧灰渣内进行磷回收,同时禁止污泥土地利用。这些政策都促进了磷回收技术在欧洲的商业化。

在欧洲,化学除磷(CPR)和强化生物除磷(EBPR)是两种常用的污水除磷手段,后者以鸟粪石的形式从污泥中回收磷,回收率在10-30%左右。化学除磷一般采用铁盐或者铝盐除磷,其中铁与可溶性磷酸盐结合,可转化为不可溶的磷酸铁沉淀物,最终进入污泥。此外,污水厂把铁盐用作混凝剂加强初沉池的沉降效果,并防止硫化氢排放。有数据显示,欧洲污水厂每年产生的污泥里含有约37万吨的磷。

化学除磷这项技术线多年的历史,然而在这么长的时间里,很少人问过一个问题,这些磷酸铁沉淀物究竟是什么?

2018年,在荷兰代尔夫特理工大学(TU Delft)和Westus(卓越可持续水技术中心)攻读博士学位的Philipp Wilfert博士找到了答案——他通过X射线衍射、穆斯堡尔谱(M?ssbauer spectroscopy)和电子显微镜的观察发现,原来污泥中的大部分磷酸盐都结合在一种磷酸铁矿物里,这种物质叫蓝铁矿(vivianite)。

他当时的博士研究题目是“从含磷酸铁的污水污泥中回收磷酸盐”,其导师包括TU Delft大名鼎鼎的Mark van Loosdrecht教授、Geert-Jan Witkamp教授(环境生物技术组)、Peter Rem教授(资源与回收组)以及Wetsus的Leon Korving。值得一提的是,Wilfert博士原来是个海洋生物学家,据介绍,他是在Mark的介绍下进入到污水处理这个领(da)域(keng)。

蓝铁矿(Vivianite),顾名思义,是种蓝色矿物,化学式为Fe3(PO4)2·(H2O)8。1817年,A. G. Werner为了纪念在英国Cornwall地区最早发现蓝铁矿的英国矿物学家John Vivian,而以此为名。它出名的另一个原因是它常被

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