综述：从有机固体废物中通过热液法回收磷：机制、转化途径及产品应用

《Journal of Environmental Management》：Hydrothermal recovery of phosphorus from organic solid waste: Mechanisms, transformation pathways, and product applications

磷资源回收与农业应用研究综述

　　随着全球磷资源日益紧张以及有机固体废弃物（OSW）的大量产生，高效回收和资源化利用磷（P）已成为实现可持续发展的重要议题。磷是现代农业和食品生产中不可或缺的营养元素，然而与碳和氮等元素相比，磷的自然循环过程较为缓慢。人类活动，特别是工业和农业，已经成为改变磷的生物地球化学循环的重要地质力量。当前农业所需的磷主要依赖于磷酸盐矿石，而磷酸盐矿石作为有限的非可再生资源，其全球分布不均，主要集中在摩洛哥和西撒哈拉地区，占全球储量的约72%，中国仅占约4.6%。尽管磷肥的投入量较高，但许多陆地地区由于土壤中磷的流失，出现了负磷平衡或接近零磷平衡的情况。农业土地上的磷流失主要来源于土壤侵蚀和径流，以及动物粪便，这两者分别占总开采磷的约46%和40%。值得注意的是，这些磷流失大部分转移到了水生生态系统，加速了富营养化现象的发生。

除了自然过程和地质挑战，磷酸盐矿石的开采还会产生大量的磷石膏，这是一种含有放射性元素（如铀和钍）的有毒副产品。每生产1吨磷酸盐矿石，大约会产生5吨磷石膏。目前，磷石膏的主要处理方式是堆积在废物堆中。然而，自20世纪以来，全球人口持续增长，对磷基肥料的需求也不断上升。预测显示，到2050年，农业每年可能需要约22至27万吨的磷输入，这意味着磷肥的年使用量可能高达89万吨。更为重要的是，由于磷酸盐矿石资源的不可再生性，用于农业的大量矿石可能在未来几十年内被耗尽。这不仅会增加农业产品的成本，还会威胁全球粮食供应的安全。鉴于磷的巨大需求和磷酸盐矿石资源的不可再生性，人类开始将注意力转向磷的回收利用。开发从有机废弃物中回收磷的技术对于延长磷的使用寿命和防止与磷矿开采相关的环境问题至关重要。

磷在有机固体废弃物中的存在形式和含量因来源不同而存在显著差异。这种差异直接影响磷在处理过程中的迁移行为。目前，从有机固体废弃物中回收磷的技术多种多样，包括生物处理、化学沉淀、热化学处理等。生物处理利用微生物的活性，将磷集中到特定产品中。不同的细菌和藻类通过代谢作用从废弃物中消耗磷，并将其转化为多聚磷酸盐或正磷酸盐。生物处理在磷回收中的主要应用是增强生物除磷，该技术被认为是经济和环境可持续的磷处理方式，因为它不需要额外的添加剂，且能耗较低。然而，尽管生物处理在技术上是可行的，但在效率、微生物选择性和对不同类型废弃物的适用性方面仍面临挑战。

化学沉淀则是通过添加镁或钙盐，使磷形成磷酸盐沉淀物，从而实现超过90%的回收率。然而，这种方法依赖于化学试剂，导致运行成本较高，并且会产生化学残留和处理污泥。此外，需要严格控制pH值和离子比例。传统的热化学方法如焚烧和热解已被用于回收高固体废弃物中的磷，但这些方法需要复杂的设备，并且能耗较高。更重要的是，大多数生物质废弃物具有高水分含量、低能量密度、异质性和低堆积密度的特点，这进一步限制了热处理方法的广泛应用。

由于大多数富含磷的生物质废弃物具有高水分含量，因此水热磷回收工艺受到了研究人员的广泛关注。水热技术能够在相对较低的反应温度（180–260℃）下，将湿生物质直接转化为燃料、化学品和功能材料。与干热解（主要产生生物炭）不同，水热处理使用水作为反应介质，无需对处理的生物质进行预干燥。同时，水热处理是在相对均质的水溶液反应介质中进行的湿化学转化过程，其中非挥发性元素之间的相互作用被促进，从而实现磷的均质化，并使其暴露于各种金属阳离子和矿物相，增强其与金属离子的结合反应。由于生物质固体在水热条件下经历水解、脱羧、聚合和芳香化反应，因此水热炭（hydrochar）表现出均质、疏水和高能量密度的特性，同时富含微纳米碳球、含氧官能团和多孔结构，这些特性也有助于磷的固定。

综上所述，水热方法通过两种途径实现磷的固定：一是通过水热炭化富含磷的生物质废弃物，直接生产富含磷的水热炭；二是通过在特定条件下改性的生物质废弃物制备成磷吸附材料，从而实现磷的固定。对于最终的富含磷的水热产品，许多研究人员已经确认其在农业中的应用潜力，可以替代传统的磷肥。然而，目前的研究尚未系统阐明水热磷固定过程在有机固体废弃物中的特性与局限性，包括磷的存在形式、水热磷固定机制以及富含磷产品的应用潜力。

基于上述研究的不足，本文首先分析了有机固体废弃物中磷的存在形式，揭示了磷在固液相中的迁移与转化机制，并构建了磷的迁移转化网络。随后，系统阐述了富含磷产品的应用价值和潜在风险，最终提出了研究展望，以提供科学指导，推动从有机固体废弃物中进行水热磷回收的进一步发展。本文旨在为实现高效的磷回收和资源化利用提供理论支持和实践建议，促进可持续磷资源利用与绿色农业发展的深度融合，具有重要的环境和经济意义。