工程化底灰颗粒用于水体除磷：性能评估与经济可行性分析

《Review of Materials Research》：Engineering bottom ash pellets for phosphorus removal from water: Performance evaluation and economic assessment

本研究针对水体磷污染治理难题，开发了以煤底灰（CBA）为原料的工程化底灰颗粒（BAP）。通过掺入粘土和石灰并经热处理，BAP的磷去除率从原始CBA的34%显著提升至95%，最大吸附容量达56.6 mg/g。吸附过程符合准二级动力学模型（R2 = 0.99）和Langmuir等温线（R2 = 0.98），表明其以化学吸附为主。经济分析显示BAP生产成本为118-261美元/吨，规模化系统评估证实其在市政与农业应用中具有长服务寿命和成本效益，为磷污染控制提供了技术经济可行的解决方案。

　　

磷，作为生命必需元素，却是水体富营养化的“元凶”之一。即使浓度低至0.02 mg/L，也能引发藻类疯狂繁殖，消耗水中溶解氧，形成“死亡区”，对水生生态系统造成毁灭性打击。在美国，仅淡水生态系统富营养化造成的年经济损失就超过22亿美元。随着全球缺氧区数量超过400个，磷污染带来的总体经济损害可能更高。农业活动是磷污染的主要非点源，开发高效、经济的边场（edge-of-field）磷拦截技术至关重要。

磷去除结构（PRS）是应对这一挑战的有前景的技术，其核心是磷吸附材料（PSM）。为了降低成本并促进可持续性，研究者们积极探索利用废弃物或易得材料作为PSM。煤底灰（CBA）作为一种丰富的工业副产品，因其低成本和对磷的吸附潜力而受到关注。然而，原始CBA存在形状不规则、易碎、成分不均以及重金属浸出风险等问题，限制了其在实际工程中的应用。因此，开发低成本改性技术以提升底灰的除磷效能，并系统评估其经济可行性，对于推动该技术从实验室走向实际应用至关重要。

在此背景下，发表在《Review of Materials Research》上的研究论文《Engineering bottom ash pellets for phosphorus removal from water: Performance evaluation and economic assessment》报道了一种工程化底灰颗粒（BAP）的开发与应用。该研究由Haribansha Timalsina、Hongxu Zhou和Rabin Bhattarai合作完成，旨在通过系统性的性能评估和经济分析，为利用改性底灰颗粒进行水体磷去除提供全面的技术经济依据。

为了开展这项研究，研究人员采用了多学科交叉的方法。首先，他们通过将煤底灰（CBA）与膨润土粘土和石灰按60:25:15的重量比混合，加水造粒，并经过100°C和700°C的两阶段热处理，成功制备了具有良好结构完整性的BAP。随后，利用环境扫描电子显微镜（ESEM）和能量色散光谱（EDS）对BAP的表面形貌和元素组成进行了表征。关键的磷吸附性能通过批式实验进行评估，包括吸附动力学和等温线研究，以探究吸附速率、容量和机理。吸附动力学数据使用伪一级、伪二级、Elovich和颗粒内扩散模型进行拟合，而吸附等温线则使用Langmuir、Freundlich和Temkin模型进行分析。此外，研究还进行了磷解吸实验以评估BAP对磷的固定能力。最后，为了评估BAP实际应用的可行性，研究进行了详细的经济分析，包括基于15年项目寿命和10%贴现率的成本现值计算，以及采用蒙特卡洛模拟的随机敏感性分析，考察了劳动力、电价、运营天数等多个关键参数对生产成本的影响。

3.1. BAP的表征

研究结果显示，制备的BAP呈圆柱形，直径8毫米，长度约1-1.5厘米，体积孔隙率（Φ_v）和表面孔隙率（Φ_A）分别为40.8%和35.1%。ESEM图像显示BAP表面粗糙，具有丰富的孔隙和空腔，为磷吸附提供了充足的活性位点。EDS分析表明，BAP的主要成分是硅、铁、钙、铝、镁和钠的氧化物，其中钙（20.63%）、铁（16.54%）等金属氧化物是已知的磷吸附活性组分。这些元素以簇状形式分布在BAP表面，未使用的BAP表面未检测到磷，说明其磷吸附能力源于其组成而非本身含磷。

3.2. 磷去除动力学

动力学实验表明，BAP表现出远优于原始CBA的磷去除性能。在初始磷浓度为1 mg/L的条件下，BAP在60分钟内去除效率达到91%，而CBA仅为20%。24小时平衡后，BAP的最终去除效率和吸附量分别达到95%和19.56 mg/g，远高于CBA的34%和7.69 mg/g。动力学拟合表明，伪二级模型能最好地描述BAP（R2 = 0.99）和CBA（R2 = 0.99）的吸附过程，表明磷吸附以化学吸附为主导机制。BAP的吸附速率常数（k₂ = 0.0074 mg/g·min）略高于CBA（0.006 mg/g·min），表明其达到平衡更快。颗粒内扩散模型分析显示，BAP的表面扩散速率远高于CBA，这得益于其改性后改善的表面特性。

3.3. 磷酸盐在BAP上的吸附等温线

吸附等温线研究旨在揭示BAP在不同平衡浓度下的吸附容量和机理。实验数据与Langmuir等温线模型拟合最佳（R2 = 0.98），表明BAP对磷的吸附更倾向于单分子层吸附。根据Langmuir模型计算出的BAP最大吸附容量（Q_max）高达58.14 mg/g。分离因子（R_L）接近零，表明吸附过程易于进行且近乎不可逆。Freundlich模型也表现出较好的相关性（R2 = 0.95），提示表面可能存在一定的非均质性或多层吸附的可能性，但Langmuir模型的优越拟合度支持了单层吸附的主导地位。Temkin模型拟合度较差（R2 = 0.86），表明吸附热随表面覆盖度线性下降的假设在此并不适用。

3.4. 磷从CBA上的解吸

解吸实验结果显示，吸附后的BAP在去离子水中解吸出的磷浓度极低，平均解吸率仅为0.07%。这表明磷与BAP表面的金属离子（如Ca²⁺）形成了稳定的、难溶的化合物（如Ca₃(PO₄)₂），从而被牢固地固定下来，不易重新释放到环境中。这一发现与化学吸附机理一致，进一步证实了BAP作为过滤介质用于长期磷拦截的可靠性。

3.5. BAP生产的经济分析

经济分析是本研究的一大亮点，它评估了BAP规模化生产的可行性。在基准情景下（年产能1622吨，贴现率10%，项目寿命15年），BAP的单位生产成本估计为126.1美元/吨。运营和维护（O&M）成本是总成本的主要部分，占比高达87.7%，这主要归因于当前试点规模设置下劳动力密集型操作。材料成本和资本成本分别占8.3%和4.0%。蒙特卡洛随机模拟显示，BAP的生产成本分布范围为118美元/吨至261美元/吨，中位数为167美元/吨，反映了关键经济参数（如劳动力工资、电价、运营天数）的不确定性带来的影响。敏感性分析明确指出，劳动力费率是影响单位成本的最关键因素，相对敏感度指数（SI）约为0.65，即劳动力成本每增加1%，单位生产成本将增加0.65%。运营天数等因素也显示出成本削减效应，但敏感性较低。资本成本和贴现率的影响则最小。与传统的颗粒活性炭（GAC，800-2500美元/吨）或新兴的设计生物炭颗粒（约412.6美元/吨）相比，BAP在成本上具有显著优势，同时在磷吸附性能上远超原始CBA或其他低成本工业副产品（如钢渣），体现了其良好的成本效益平衡。

3.6. BAP作为磷去除材料的环境应用

为了探讨BAP在实际环境中的应用潜力，研究评估了两种典型场景。第一种是市政污水处理场景，针对一个约1000人口社区的处理厂出水（日处理量690 m3），设计一个36 m3的BAP处理系统（水力停留时间30分钟，目标除磷率60%）。计算表明，该系统年均可去除453 kg磷，BAP填充介质约每1.5年需更换一次，介质成本约为6072美元。第二种是农田排水处理场景，针对一个10公顷的暗管排水农田（年均日流量65.7 m3），设计一个3.4 m3的BAP处理单元。在该低负荷场景下，系统年除磷量约5.4 kg，预计可稳定运行长达12年而无需更换介质，总介质成本仅约576美元。这凸显了BAP在农业排水这种期望低维护应用中的长期经济可行性。

该研究通过材料开发、性能评估和经济分析的系统性工作，证明了工程化底灰颗粒（BAP）是一种高效、经济且环境友好的磷吸附材料。其优异的磷去除性能（95%去除率，58.14 mg/g最大吸附容量）和以化学吸附为主的作用机制，确保了处理效果的稳定性和持久性。详细的经济分析揭示了BAP生产的成本结构（126.1美元/吨）和关键影响因素（劳动力是主要成本驱动因素），为其规模化应用提供了决策依据。针对市政污水和农业排水两种不同负荷场景的应用评估，进一步展示了BAP技术的广泛适应性和成本效益，特别是在需要长服务寿命和低维护的农业非点源污染治理领域前景广阔。未来研究可聚焦于长期现场柱实验、中试规模验证、共存离子影响以及磷回收策略等方面，以推动该技术从实验室走向更广泛的实际工程应用，为应对全球水体磷污染挑战提供一条废物资源化、低成本的可行路径。