基于低温热处理的污泥磷回收技术研究：PAC与PFS污泥处理的比较

《Separation and Purification Technology》：Study on sludge phosphorus recovery technology based on low-temperature thermal treatment: Comparison of PAC and PFS sludge

　　

王智慧|刘新宇|徐林豪|黄一民|宁萍|任梅洁

昆明理工大学环境科学与工程学院，中国云南省昆明市650500

摘要

面对全球磷资源短缺的问题，从市政污泥中回收磷是实现可持续资源循环的关键策略。本研究开发了一种基于低温热处理（200–400°C）结合酸浸-沉淀的新污泥磷回收工艺，并系统比较了该工艺在典型PAC和PFS污泥上的效率和机制。结果表明，低温热处理能有效富集磷并促进有机磷向无机磷的转化。化学除磷剂的类型从根本上决定了磷的释放和回收路径。对于PAC污泥，由于可溶性磷的存在及其优化分布，磷在10分钟内迅速释放（>80%），主要通过化学反应实现；而在PFS污泥中，磷被氧化铁包裹，导致释放速率较慢（120分钟后约为55%），受到扩散和反应的共同控制。在磷酸铁沉淀阶段，PAC系统对酸的类型敏感，HCl的磷回收率（80%）高于H?SO?（75%），且阴离子干扰较小。初始Fe/P比例较高的富铁PFS系统在两种酸条件下均实现了高效的磷回收（>80%）。使用回收的FePO?作为锂离子电池正极前体时，PAC衍生产品表现出良好的可逆电化学性能，而PFS衍生产品由于杂质含量较高（Fe?PO?）而性能较差。经济分析表明，该工艺的成本低于传统的焚烧灰渣浸出方法，为从复杂污泥中高效回收高价值磷提供了一种可靠的技术途径。

引言

天然磷矿石是一种不可再生且难以替代的战略资源。研究表明，全球磷矿石储量仅能满足大约一个世纪的需求[1]，预计到2040年供需矛盾将日益突出[2]。在废水处理过程中，超过90%的磷集中在污泥中[3]，使其成为重要的城市磷矿资源。以2023年为例，中国污水处理厂的干污泥产量达到1730万吨[4]。因此，开发高效、可持续的污泥磷回收技术对于确保磷资源安全至关重要。

目前最广泛应用的磷回收方法是磷酸铵镁沉淀法（Struvite precipitation），但该方法需要额外添加镁和铵源，并且反应需要在相对较高的pH值（>8）条件下进行[3][5]，从而显著增加成本。虽然磷酸钙沉淀也可以在pH > 4的情况下实现[5]，但溶液中铝、铁等离子的存在会严重抑制其回收效率[6]。Vivianite回收方法存在pH调节范围狭窄（5–8）[6]、难以维持厌氧条件以及成本较高[5]等问题。因此，近年来，从污泥中回收高附加值产品（如磷酸铁）已成为该领域的研究热点[7][8]。

为了满足严格的出水总磷（TP）限制，污水处理厂普遍采用化学除磷（CPR）技术。由此产生的污泥是一种混合物，其中富含难溶性金属磷酸盐沉淀物的部分占总污泥磷含量的57–77%[4]。聚铝氯化物（PAC）和聚合硫酸铁（PFS）作为最常用的絮凝剂，可有效去除磷，但通常会留下大量金属磷酸盐残留物[9][10]。湿化学方法因成本较低、回收率较高且操作简单而更具吸引力[11][12]。在pH值<2时，金属-P键断裂，释放出磷[12]。然而，高水分含量和有机磷含量限制了湿化学方法的磷提取效果。污泥焚烧不仅解决了上述问题，还能有效浓缩磷[13][14]，使磷以P?O?的形式富集在灰烬中（含量10–26 wt%)[3][15]，其品位接近中低品位磷矿石（5–40 wt%）[16][17]。然而，热化学方法（尤其是在高温600–1000°C下运行的传统焚烧法）能源消耗大，且在去除非挥发性重金属方面效果有限[8][18][19][20][21][22][23]。

节选片段

污泥样本来源及预处理

本研究选取了中国西南部两家市政污水处理厂的过量污泥作为实验对象。污水处理厂A使用PAC作为化学除磷剂，其污泥样本称为PAC组；污水处理厂B使用PFS作为化学除磷剂，其污泥样本称为PFS组。所有污泥样本首先在真空干燥箱中于105°C下干燥至恒定重量，得到原始污泥（RS）。

低温热处理对两种污泥中磷的影响

使用0.5 M H?SO?对PAC组和PFS组经过不同温度（200、300和400°C）热处理后的固体产物进行了浸出实验（图1）。随着热处理温度的升高，两种污泥组的磷释放量均逐渐增加。相比之下，PAC组的磷释放性能更优，释放速率更快且释放量更高。在400°C处理后，PAC组的磷释放率...

结论

本研究开发了一种结合低温热处理和酸浸-沉淀的工艺，成功实现了从典型PAC和PFS污泥中高效回收磷并合成FePO?。结果表明，热处理能有效富集磷并促进有机磷的转化，但化学除磷剂的类型从根本上决定了后续的回收效率。在PAC污泥中，由于...

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能会影响本文报道工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了星电人才支持计划（授权编号：YNQR-QNRC-2020-001）和昆明理工大学的分析测试基金（2024P20231107004）的支持。