鳥糞石回收磷的新探索

出品：科普中國

制作：中科院武漢植物園

工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中排放的廢水中含有高含量的磷，通過雨水沖淋和地表徑流等方式進(jìn)入水體和湖泊，引發(fā)浮游藻類大量繁殖，造成水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象。

生物除磷 OR 化學(xué)除磷

當(dāng)前常用的除磷途徑有生物除磷法和化學(xué)除磷法。廢水的生物除磷是指采用厭氧-好氧工藝，使磷以溶解態(tài)為微生物所攝取，并隨同微生物從污水中分離的除磷方法。盡管經(jīng)過幾十年的發(fā)展，生物除磷技術(shù)已經(jīng)非常成熟，但還是存在一些固有的弊端，如工藝復(fù)雜且運(yùn)行不夠穩(wěn)定，運(yùn)行費(fèi)用高，生化反應(yīng)速率有限等，導(dǎo)致除磷效果有限。

化學(xué)除磷是通過加入金屬離子在特定條件下將溶解態(tài)的磷沉淀轉(zhuǎn)化為一種固體態(tài)的磷。常用的金屬離子有鈣、鐵、鎂和鋁等?；瘜W(xué)方法的總除磷效率在一定條件下可達(dá)到90%以上，具有操作簡(jiǎn)單、除磷效果好等特點(diǎn)。

鳥糞石回收磷：效率高、成本低

在堿性條件下，廢水中加入適量鎂鹽，可收獲白色粉末狀物質(zhì)（圖1）。通過這種化學(xué)除磷沉淀的方法可以有效回收去除廢水中的磷。這種物質(zhì)化學(xué)名是磷酸銨鎂，俗稱“鳥糞石”。

（圖1 從廢水中獲取的鳥糞石粉末）

鳥糞石在水中的溶解度極低，可作為一種磷肥生產(chǎn)的原材料或緩釋肥料，用于農(nóng)作物生長?；谶@種沉淀法可回收廢水中95%以上的磷，只需投加一定量的堿和鎂源，具有效率高、成本低的優(yōu)點(diǎn)。這不僅有利于實(shí)現(xiàn)廢水中磷資源的循環(huán)利用，也有利于減輕水體污染和磷去除負(fù)荷。

廢水中的鈣離子：影響鳥糞石回收磷

廢水中同樣含有一定量的鈣。鈣離子在堿性條件下會(huì)和鎂競(jìng)爭(zhēng)，也可能和磷反應(yīng)形成一系列磷酸鈣化合物沉淀，這可能會(huì)影響磷回收效率和形成鳥糞石晶體特征。

中科院武漢植物園污染生態(tài)學(xué)學(xué)科組針對(duì)這一問題，研究了廢水中不同鈣鎂摩爾比在鳥糞石磷回收過程中對(duì)水質(zhì)參數(shù)和晶體特征的影響。

研究發(fā)現(xiàn)，鈣離子會(huì)影響水體pH、氮磷濃度，也會(huì)影響形成的晶體特征，如粒徑、形狀、純度和元素組成等。同時(shí)，由于鳥糞石與磷酸鈣的結(jié)晶機(jī)理存在差異，隨著鈣離子濃度的增加，廢水中會(huì)形成更多潛在的鈣磷化合物，使得形成晶體中鎂離子比例降低和鳥糞石純度降低。

這一方面導(dǎo)致晶體形狀由細(xì)長的針狀向圓柱狀或（橢）圓球發(fā)展（圖2）；另一方面，形成晶體中鈣含量越來越高，大大降低了鳥糞石的純度。

圖2 不同鈣含量條件下獲取鳥糞石晶體的形態(tài)特征

（左圖：鈣鎂摩爾比為0；右圖：鈣鎂摩爾比為3/2）

科研人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)廢水中鈣鎂摩爾比大于1/2時(shí)，就不再合適進(jìn)行磷回收，因?yàn)檫@種條件下獲取的低純度鳥糞石含有一定量的鈣磷化合物，已不再具有鳥糞石的元素組成和緩釋特性，失去了其原有市場(chǎng)價(jià)值。

未來，科研人員將通過中試實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證廢水中磷回收在經(jīng)濟(jì)上的可行性，努力開拓大粒徑高純度鳥糞石的商業(yè)農(nóng)用價(jià)值，實(shí)現(xiàn)磷資源的循環(huán)利用。