资源回收 | 国外主流磷回收技术与政策
文章亮点
1）欧洲、日本等国家和地区率先开启从污水及固体废弃物中回收磷的技术研发与工程应用，在政策/法律等层面也相继出台或修订了一系列有利于磷回收产品顺利进入市场的法规/条例。
2）从磷的源分离、浓缩液沉淀、污泥分离以及污泥焚烧灰分提取几类技术，梳理分析了全球已研发并应用的污水处理磷回收技术的主要案例，并对比了各类技术的适用条件。
3）分析了磷回收产品进入市场并获得竞争力的软性障碍，并从政策、法律及税收、补贴等层面介绍了个别国家和地区所采取的具体管理措施，以期为污水磷回收技术的应用与推广提供参考。
主要内容
如今，磷回收技术已不再是限制其应用的卡脖子难题。未来的挑战在于如何将磷回收产品纳入市场并部分取代开采磷矿，以构建良性的磷回收产品市场。本文参考欧洲、日本等国家和地区的磷回收技术应用案例及市场化经验，分析不同磷回收位点的技术特征，并总结相关国家在该领域的政策与措施，以期为我国解决磷危机提供参考。
1 磷回收技术的工程应用案例
1.1粪肥磷回收：荷兰Groot Zevert Vergisting (GZV)厌氧消化综合回收
畜牧业粪肥衍生的环境污染问题和处理成本一直是令荷兰头疼的问题。在此情形下，欧盟“Horizon2020”项目资助建设了Groot Zevert Vergisting (GZV)示范工厂，通过“Re-P-eat”工艺集合周边55处畜牧与屠宰场产生的猪牛粪尿进行联合厌氧消化，实现粪肥减量浓缩和磷回收。动物粪尿首先经过反应器进行联合厌氧消化，然后消化液与沼渣通过螺旋压滤机实现固-液分离。其中液相通过气浮、微过滤、反渗透浓缩获得N、K营养液，直接回用农田(自用或出口邻国)或作为化肥厂原料；固相则采用Re-P-eat工艺，即，在酸化反应器中加入熟石灰，回收富磷磷酸钙(CAP)和低磷有机土壤改良剂。处理/回收工艺最终出水符合荷兰地表水排放标准，可直接回补地表水资源。体量巨大的粪肥就地回收为浓缩肥料或土壤改良剂，节省了高昂长途运输及处理成本，综合处理费用较欧洲传统猪粪单独处理成本减少50%—100%，经济效益十分显著。
图1 GZV粪肥磷回收工艺流程图
1.2厌氧消化液磷回用：加拿大CrystalGreen®技术
加拿大Ostara公司将工业、农业、市政污水处理厂中的营养物回收转化为一种高效且环保的颗粒肥料——Crystal Green®，核心工艺包括WASSTRIP®和Pearl®技术。其中，WASSTRIP可实现富磷污泥厌氧释磷，而Pearl®技术主要是采取添加Mg盐同时控制pH条件，实现磷沉淀、鸟粪结晶与分离。其实，这种鸟粪石生成、回收技术早在荷兰BCFS脱氮除磷工艺中便已体现；该案例成功之处在于其成功的“技术设备销售+产品回购+产品销售”商业销售模式，保证了用户端(厂家)有技术可用、有利可图、无产品销售之虞，而技术公司自身也实现了轻资产利益转化，最终为磷肥用户提供了优质磷肥资源，可谓三方共赢，实现技术的可持续发展。
图2 Ostara Crystal Green® 磷回收示意图
1.3生污泥磷回收：德国TerraNova® Ultra工艺
德国TerraNova Energy公司采用Terra Nova® Ultra工艺，通过水热碳化(HTC)原理控制反应条件模拟并加速天然煤炭的生成过程，将活性污泥直接制成可燃烧煤，同时，以液体磷肥和含磷生物炭形式实现磷回收。经种植实验比较，这种液体磷肥种植作物(番茄和小麦)干重和高度均优于对照市售液体磷肥，是一种良好的磷回收产品。目前该工艺已应用于中国济宁污水处理厂、德国凯泽斯劳滕(Kaiserslautern)中央污水处理厂、德国杜塞尔多夫(Düsseldorf)示范污水处理厂、斯洛韦尼亚国马里博尔(Maribor)污水处理厂等。
图3 TerraNova® Ultra磷回收工艺示意图
1.4污泥灰分磷回收
1）荷兰ICL Fertilizers：作为磷肥生产商，该企业研发主要针对污泥焚烧灰分(SSA)、待回收磷酸盐以及肉骨粉灰(MBMA)等次级磷酸盐原料使用技术，其名下的阿姆斯特丹化肥生产厂，磷矿消耗量25万 t/a、磷产品总产能80万 t/a，其中二次回收磷替代了10%原磷矿。除此之外，ICL公司还在欧洲和美国发展下游业务，通过Recophos工艺和Tenova工艺生产白磷(P4)(目前已准备在荷兰特尔纽岑建立试点工厂)和食品级磷酸(项目已通过实验室测试，目前正在进行可行性分析)。
图4 ICL灰分磷回收工艺流程
2）日本Metawater：与欧洲磷资源状况不同，日本一方面缺乏足够磷矿，所有磷矿依赖进口；另一方面，日本法规对污泥无害化处理要求极为严苛，法律禁止污水处理剩余污泥直接农用。因此，日本很早就针对污泥、污水、动物粪便和工业废水等资源开展磷回收研究工作，拥有众多大规模磷回收工厂和长期运营经验。日本Metawater集团目前运营的歧阜(2010年)和鸟取(2013年)两座污泥焚烧灰分磷回收工厂。通过碱法和投加Ca2+，以羟基磷灰石钙(HAP)进行灰分磷回收磷。剩余灰分残渣通过弱酸清洗去除重金属，转化成无臭味的棕色颗粒，符合土壤污染防治标准，可作为路基材料或沥青填料中石粉替代品，亦可作为土壤改良剂。
图5 碱法浸取灰分磷回收P工艺流程
2 不同磷回收位点技术优劣评价
以上案例表明，城市污水及有机固废的体量巨大，其中所含的磷资源大都未被开发和利用。目前，各种磷回收技术已相对成熟，并逐渐进入商业化应用阶段。但是，理想的磷回收技术应该是低成本、高效率、产物俏、风险小的工艺。以上案例总结经验可知，不同回收点位应用模式、可行性、经济性与前景等方面不尽相同。
在焚烧正逐渐演变为污泥终极处理、处置的大趋势下，灰分磷回收成为当前最具前景的磷回收方式。日本的国土面积优先，使得该国优先建设中心污泥焚烧厂来承担周边污水处理厂的磷回收任务。波兰波美拉尼亚省的 2 个污泥焚烧厂甚至承担了周边 220 多个污水处理厂 60%的污泥焚烧任务。这表明由于“中心辐射周边”的“污泥焚烧+磷回收”模式可降低污水处理厂的磷回收成本，有潜力成为未来污水处理磷回收的主要方式。
3 国际上与磷回收技术应用相关的政策措施
1）从政策与法律层面支持回收磷产品。相对于天然磷矿，消费者对从污水、污泥和粪肥中回收磷的安全性和可用性持怀疑态度。为此，欧盟重新审视这一问题，修订了欧盟肥料条例(EU)2019/1009)，将三种磷回收产物STRUBIAS(鸟粪石，生物炭和焚烧灰分合称)列为化肥生产的二次磷原料，满足使用和安全要求的肥料可以在欧洲市场自由出售，旨在打通磷回收市场贸易壁垒。除此之外，欧盟各成员国还配合制定了相应的法律、法规。前有瑞士、荷兰两大领跑者，分别提出“瑞士磷元素闭合循环构建”与“2050荷兰循环计划”，旨在实现境内营养物全回收与闭合循环；后有英、法、德三架马车紧跟其后，以磷回收法律框架和网络系统构建为目标，呵护磷回收产业良性发展；还有北欧诸国亦齐心协力，扩大磷回收维度与深度。目前，欧洲各国正携手合作为创建建欧洲可持续磷回收平台(European Sustainable Phosphorus Platform)而努力，以实现全欧洲磷回收学术成果、管理经验共享，为管理者、消费者和市场提供交流平台，促进磷回收市场多维度发展。
2）对销售回收产品的税收与补贴政策。政策与法律手段虽然可保障磷回收产品进入市场无行政障碍。但客观来看，磷回收成本仍高于传统磷矿，导致磷回收产品市场竞争能力变弱。面对市场现状，政府应在磷矿石开采、销售上课以重税，将其补贴或减免税收于磷回收产品。在此方面，瑞典和丹麦国家的作法令人称赞。例如，瑞典自1984年征收磷矿开采税(1994年以磷肥镉含量衡量以间接限制开采磷矿。2021年3月24日瑞典政府赠款5 100万克朗(约3 850万人民币)，以支持“EasyMinings”计划，表彰其在污水污泥磷回收和减少欧洲磷矿开采等自然资源保护方面作出的贡献。此外，丹麦还从2005年起征收市场动物磷饲料销售税，并于2018年提出实现80%污泥中磷回收目标，通过征收污水排磷税和污泥填埋税来促进磷回收技术进步和应用发展。
作者简介 ✦
郝晓地，北京建筑大学讲席教授，中-荷未来污水处理技术研发中心负责人、环境与能源学院市政工程系学科学术带头人。2001年10月获荷兰代尔夫特理工大学博士学位，同年12月通过北京市“绿色通道”人才计划引进至我校工作。目前担任水处理领域顶尖期刊《Water Research》区域主编（Editor）。研究领域专注于污水处理碳中和技术集成，可持续污水处理技术研发，擅长污水脱氮除磷及其模拟技术、污水处理资源化技术，著有《蓝色经济下的水技术策略》、《污水处理碳中和技术》、《可持续污水-废物处理技术》、《磷回收概观与磷回收技术》等著作。截止目前，承担了8项国家级项目和十几项省部级及横向项目；发表论文近300篇，其中国际刊物发表90篇。2020年美国斯坦福大学（Stanford University）发布了世界排名前2%科学家排行榜（World’s Top 2% Scientists 2020），郝晓地教授入选环境科学领域榜单。
