一种基于污泥焚烧-熔融两步法的钙镁磷肥制备新工艺：磷回收与玻璃网络解聚机制

为解决污水污泥(SS)中磷(P)回收率低、化学添加剂环境风险高的问题，中国科学院研究人员开发了CaO/MgO辅助的焚烧-熔融两步法，成功制备出总磷含量9.41%、生物有效性100%的钙镁磷肥(FCMP)。该研究验证了NBO/T公式(2.3-2.5)在SS体系的适用性，通过分子动力学模拟揭示了添加剂对含Fe3+/Al玻璃网络的解聚机制，为污泥资源化提供了新思路。

　　

全球磷矿资源预计在百年内枯竭，而污水中磷回收率不足7%。污水污泥(SS)作为磷的富集体，其磷含量可与中品位磷矿媲美，但传统湿法回收存在化学污染风险，热法工艺又面临磷挥发损失和能耗高的双重困境。中国科学院团队创新性地提出"焚烧-熔融两步法"，通过CaO/MgO添加剂在焚烧阶段固定95%以上的磷，再经熔融制备高生物有效性的钙镁磷肥(FCMP)，实现了从"污泥处理"到"磷肥生产"的直接转化。

研究采用模型化合物实验、SEM/EDS表征和分子动力学模拟等技术手段，样本来源于中国无锡污水处理厂的脱水污泥。通过热重-质谱联用分析焚烧过程磷迁移规律，结合FactSage热力学模拟优化添加剂配比，最终确定Ca_7.25Mg_4.57为最佳配比，使FCMP的磷生物有效性(R_CA)达100%。

【Verification of glass characteristics of SS-derived FCMP】
扫描电镜显示熔融后的FCMP呈现典型玻璃态光滑表面，而焚烧中间产物Ash-Ca_7.25Mg_4.57保留多孔结构。XRD证实添加剂促进正磷酸盐形成，磷挥发率从无添加时的35%降至5%以下。

【Molecular dynamics simulations】
模拟揭示MgO比CaO具有更强的网络解聚能力，能将硅氧四面体[SiO₄]聚合度降低42%。Fe²⁺向Fe³⁺转化后形成[FeO₄]网络结构单元，而Al则优先与解聚产生的非桥氧(NBO)结合，这种竞争效应解释了实际生产中需过量添加CaO/MgO的原因。

【Conclusion】
该研究突破传统SSA(污泥焚烧灰)为原料的工艺限制，直接利用污泥生产符合重金属限值的FCMP。创新性发现添加剂通过改变Fe价态调控玻璃网络聚合度，验证NBO/T≥2.3可确保R_CA>90%。工艺能耗降低35%的关键在于：焚烧阶段残留碳可作为Fe还原剂，熔融温度较传统工艺降低150°C。

这项发表于《Waste Management》的研究，不仅为污泥磷回收提供了新范式，其提出的玻璃网络解聚机制更可拓展至其他硅酸盐肥料设计。Guohui Xuan等通过多尺度研究方法，将基础理论(NBO/T模型)与工程实践(两步法工艺)有机结合，推动废弃物资源化向"精准调控"阶段发展。特别值得注意的是，该工艺在实现磷高效回收的同时，同步解决了焚烧过程二噁英生成控制难题，为构建"污水处理-磷肥生产-土壤改良"的闭环体系提供了关键技术支撑。