正渗透 - 羟基磷灰石（FO-HAP）联合工艺从玉米深加工废水中回收磷和水资源的研究

推荐 针对全球磷和水资源短缺问题，研究人员以玉米淀粉加工废水二级沉淀池出水为对象，开展 FO-HAP 联合工艺回收磷和水的研究。结果表明 PO43--P 浓度提升 5.9 倍，去除率达 98%，为废水处理和资源利用提供新路径。

　　

论文解读

研究背景

随着全球人口增长与资源过度开发，磷资源匮乏与水资源短缺成为严峻挑战。磷作为农业生产必需元素，依赖不可再生的磷矿资源，而开采成本逐年攀升；水资源方面，传统节水措施难以突破淡水供给瓶颈。玉米淀粉加工行业废水具有高化学需氧量（COD）、高氮磷浓度特点，虽普遍采用厌氧 - 好氧工艺处理，但二级生物处理出水仍含大量 PO₄^3--P（浓度超 70 mg/L），远超排放标准（TP≤1 mg/L）。传统化学除磷法虽能降低磷浓度，但产生大量污泥且未实现资源回收，不符合循环经济理念。因此，开发高效的磷和水资源回收技术，对缓解资源压力与工业可持续发展至关重要。

为解决上述问题，中国四平某玉米淀粉加工企业联合研究团队开展了相关研究，旨在探索一种兼具高效除磷与水资源回收的新工艺，研究成果发表于《Environmental Technology》。

关键技术方法

研究采用正渗透 - 羟基磷灰石（FO-HAP）联合工艺，主要包括两大单元：

1. 正渗透（FO）单元：以 KCl 和 (NH₄)₂SO₄作为汲取液（DS），通过渗透压驱动实现废水中水分回收与磷浓缩，优化参数包括 DS 类型、浓度、错流速度（CFV）。
2. 羟基磷灰石（HAP）结晶单元：对 FO 浓缩液添加 CaCl₂和方解石，通过调节 pH、Ca/P 摩尔比、搅拌强度等参数，诱导 HAP 结晶以回收磷。

研究结果

3.1 FO 单元性能

• 磷浓缩与水回收：在最优条件（DS 为 (NH₄)₂SO₄、浓度 4 mol/L、CFV 15 cm/s）下，PO₄^3--P 浓度从 38.9 mg/L 提升至 210.2 mg/L（浓缩 5.9 倍），水回收率达 80%。
• 膜污染特性：DS 浓度是影响膜通量的主因，高浓度 DS 虽加速浓缩但易导致膜污染，物理清洗后膜通量恢复率超 90%，表明污染具有可逆性。
• 参数优化：通过正交试验确定 DS 浓度对磷浓缩和水回收影响最大，最优条件下系统稳定性良好。

3.2 HAP 结晶单元优化

• 单因素与响应面分析：pH 和 Ca/P 摩尔比是影响 PO₄^3--P 去除率的关键因素。在 pH=10、Ca/P=3、搅拌强度 200 rpm 时，去除率达 98.84%，HAP 纯度 75.3%。
• 产物分析：XRD 和 FTIR 证实结晶产物为含磷化合物，但方解石衍射峰显著，提示 Ca/P 比过高可能促进碳酸钙生成，需进一步优化以提高 HAP 纯度。

3.3 FO-HAP 系统综合性能

• 物质流分析：系统实现 88.33% 的水回收，DS 出水磷浓度符合农业灌溉标准；浓缩液经 HAP 处理后，磷损失仅 2.6%，验证工艺高效性。
• 应用场景对比：与传统化学除磷法相比，FO-HAP 系统减少 50% 污泥产量，且 HAP 产物可作农业肥料，处理成本降低且具经济效益（0.056 ￥/m3 vs. 0.04 ￥/m3）。

结论与意义

本研究开发的 FO-HAP 联合工艺为玉米淀粉加工废水的磷和水资源回收提供了创新方案。通过 FO 单元的高效浓缩与 HAP 结晶的定向除磷，不仅解决了传统工艺的高污染、低回收问题，还实现了 “废水减量化 - 磷资源化 - 水资源化” 的三重目标。研究表明，该工艺在优化参数下可稳定实现 PO₄^3--P 浓缩 5.9 倍、去除率超 98%，且水回收率达 80%，显著提升资源利用率并降低环境负荷。尽管膜污染控制与 HAP 纯度优化仍需深入研究，但该工艺为工业废水处理向 “低碳化、资源化” 转型提供了理论依据与技术支撑，对推动循环经济与可持续发展具有重要意义。