电化学-溶剂萃取耦合技术从厌氧消化污泥中高效回收营养盐（氮和磷）的研究与应用

本研究针对厌氧消化污泥（ADS）中营养盐回收难题，开发了一种电化学分离与溶剂萃取耦合的新方法。通过电化学处理实现NH4+的阴极富集和PO43?的阳极浸出，采用D2EHPA溶剂萃取实现铵的高效选择性回收（效率＞70%），并通过两阶段酸洗提获得高纯度铵溶液（纯度94.4%）。磷通过钙沉淀以羟基磷灰石形式回收（效率92.0%），残余钙经萃取高效回收。该技术为污泥资源化提供了低能耗、高选择性的新策略。

　　

随着城市化进程加快和污水处理规模扩大，厌氧消化污泥（Anaerobic Digested Sludge, ADS）的产生量逐年攀升。这种富含氮、磷等营养元素的副产物，既是污染物，也是潜在的资源宝库。传统处理方式如填埋或直接农用，不仅浪费资源，还可能因重金属、有机污染物和病原体的存在带来环境风险。因此，从ADS中回收高纯度营养盐，成为推动污水处理厂向“资源工厂”转型的关键，也是实现循环经济的重要路径。

尽管电化学方法在营养盐分离中展现出操作灵活、化学投加少、可与可再生能源结合等优势，但分离后的营养盐仍需进一步纯化和回收。例如，磷通常通过化学沉淀（如磷酸钙或鸟粪石形式）回收，而铵回收则依赖高pH条件下的气提或膜接触技术，存在能耗高、传质慢等瓶颈。能否开发一种集成化、低能耗且高选择性的回收工艺，实现ADS中氮、磷的同步高效回收，成为研究者关注的重点。

针对这一挑战，发表在《Separation and Purification Technology》上的研究提出了一种创新性的解决方案：将电化学分离与溶剂萃取技术耦合，用于从ADS中回收铵和磷酸盐。该研究通过电化学处理实现营养盐的初步分离与富集，进而利用溶剂萃取实现铵的高选择性回收和磷的沉淀回收，显著提高了回收效率和产物纯度。

本研究主要采用了几项关键技术方法：首先使用双室电化学细胞（含阳离子交换膜）对真实ADS样品进行电化学处理，通过控制电流密度实现阳极区磷浸出和阴极区铵富集；随后利用二(2-乙基己基)磷酸（D2EHPA）萃取剂对阴极液中的铵进行溶剂萃取，系统优化了萃取时间、相比例和pH等条件；采用多阶段酸洗提（HCl）实现负载有机相中铵的高纯度回收；对阳极液中的磷通过钙沉淀（以羟基磷灰石形式）进行回收，并对沉淀产物进行了XRD和FTIR表征；最后利用溶剂萃取技术对沉淀后残余的钙进行了回收与循环验证。

3.1. 电化学处理

电化学处理2小时后，阳极液pH从7.72降至1.80，阴极液pH从9.85升至13.01。阳极液中PO₄^3?-P浓度从78.9 mg/L升至201.4 mg/L，阴极液中NH₄⁺-N浓度从0升至598.9 mg/L，实现了93.9%的铵迁移和有效的磷释放。能量消耗为37.7 kWh/kg N（氮）和204.6 kWh/kg P（磷），显著低于化学酸化法。其他阳离子（Na⁺、K⁺）也迁移至阴极液，而Ca²⁺、Mg²⁺因在高pH下沉淀而浓度较低。

3.2. 溶剂萃取从阴极液中回收氨

使用0.2M D2EHPA进行萃取，30秒内即达到平衡。在最优条件下（A/O=2），铵、钠、钾的萃取效率分别为75.0%、51.0%和49.5%。萃取过程具有明显的铵选择性（β_NH4,Na >1），且选择性随平衡pH升高而降低。机理分析表明，D2EHPA通过 dissociation 释放H⁺和A^?，A^?与NH₄⁺形成离子对NH₄A进入有机相。

3.3. 氨回收与工艺稳定性

采用两阶段酸洗提（0.1M HCl + 0.5M HCl）可将铵纯度提高至94.4%，浓度达1448.4 mg/L，但回收率仅24.3%（因第一阶段铵损失）。单阶段洗提（0.5M HCl）回收率为48.9%，纯度84.1%。连续10次萃取-洗提循环表明，萃取效率稳定（铵~74%），但洗提效率略有下降，归因于第三相形成导致的相分离不完全。

3.4. 磷回收

磷通过钙沉淀回收，7mM Ca²⁺投加下沉淀效率达92.0%。沉淀物经XRD和FTIR鉴定为含碳酸根的羟基磷灰石。沉淀后残余钙（来自过量投加）通过D2EHPA萃取回收，萃取效率94.3%，洗提后钙可浓缩5.3倍。连续10次循环中，钙萃取效率在74.9–87.9%之间，洗提效率为45.8–66.6%。

3.5. 展望

本研究验证了电化学-溶剂萃取耦合工艺的可行性，但仍需优化氨挥发控制、残余铵回收、钙循环利用等问题。通过流程整合和参数优化，该技术有望成为ADS资源化领域的低能耗、高选择性解决方案。

该研究成功开发了一种集成电化学分离与溶剂萃取的新方法，用于从厌氧消化污泥中高效、选择性地回收铵和磷酸盐。电处理实现了NH₄⁺的阴极富集和PO₄^3?的阳极浸出，D2EHPA萃取实现了铵的高选择性回收（效率＞70%），两阶段酸洗提获得高纯度铵产品（94.4%）。磷通过钙沉淀以羟基磷灰石形式回收（效率92.0%），残余钙经萃取高效回收。该工艺稳定可靠，萃取剂可重复使用，为ADS资源化提供了新技术路径，对推动污水处理领域的资源回收与循环经济发展具有重要意义。