磷肥產(chǎn)業(yè)的挑戰(zhàn)與礦-肥技術(shù)鏈的創(chuàng)新探索

衛(wèi)尤明，廖宗文，毛小云

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，廣東 廣州 510642）

1 產(chǎn)業(yè)困局與磷肥有效性的思考

磷資源是短期不可再生、不可替代的有限資源。我國(guó)磷礦實(shí)物儲(chǔ)量?jī)H占世界總儲(chǔ)量的6.2%，而各種品級(jí)未加工的磷資源量?jī)H占世界總量的5.8%。即使未來(lái)對(duì)w（P2O5）＜12%的低品位磷礦進(jìn)行開(kāi)采，開(kāi)采回收率以81.9%計(jì)，我國(guó)磷礦最后利用年限也僅至2188年［1-2］。磷肥產(chǎn)業(yè)的“無(wú)米之炊”困局日益嚴(yán)峻。日趨嚴(yán)格的環(huán)保要求，加劇了磷肥產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)成本上升及經(jīng)濟(jì)效益下滑。磷肥產(chǎn)業(yè)現(xiàn)有礦-酸-肥反應(yīng)體系是一種高碳耗的激烈反應(yīng)體系，面對(duì)資源短缺、環(huán)保壓力、效益低下三大挑戰(zhàn)，難以獲得根本突破。

有效性是構(gòu)成肥料技術(shù)體系的基礎(chǔ)，國(guó)內(nèi)外磷肥生產(chǎn)技術(shù)雖有不同，但都是基于高水溶性的技術(shù)體系。在這種體系下的節(jié)酸、節(jié)能等技改，都是常規(guī)體系內(nèi)的量變，空間日益收窄，很難突破原體系而獲得質(zhì)的躍升。礦-酸-肥技術(shù)體系下，低品位磷礦因?yàn)殡s質(zhì)含量高，導(dǎo)致硫酸被無(wú)效消耗而產(chǎn)生更多硫酸鈣，既增加生產(chǎn)成本，又影響磷肥質(zhì)量和環(huán)境。雖然可通過(guò)選礦提高磷礦P2O5品位來(lái)降低硫酸消耗，但經(jīng)濟(jì)、環(huán)境成本雙雙攀升。因此，我國(guó)大量低品位磷礦成為“雞肋”而難以使用。有效磷包括水溶性磷、枸溶性磷，因此各項(xiàng)技術(shù)都以磷礦向水溶性磷轉(zhuǎn)化為目標(biāo)，除向高水溶性磷轉(zhuǎn)化之外，還有一種新的活化磷養(yǎng)分有效性（適度水溶）的技術(shù)。探索基于活化有效性的礦-肥無(wú)酸溫和反應(yīng)體系取代礦-酸-肥反應(yīng)體系具有重要意義。

2 基于活化有效性的新技術(shù)體系

2.1 突破礦-酸-肥激烈反應(yīng)，構(gòu)建溫和礦-肥反應(yīng)體系

活化磷以活化有效性（適度水溶）取代高水溶性，以無(wú)酸活化取代強(qiáng)酸激烈反應(yīng)，因此不會(huì)產(chǎn)生低品位礦無(wú)效消耗硫酸的問(wèn)題，使“雞肋”成為有效資源。活化磷的制備工藝簡(jiǎn)捷，以磷礦與活化劑研磨即可（見(jiàn)圖1）?；罨瘎┲饕晒まr(nóng)業(yè)廢棄物經(jīng)物理、化學(xué)修飾等方法處理而制成，廉價(jià)易得。

圖1 活化磷制備工藝流程

活化有效性取代經(jīng)典水溶有效性，原技術(shù)體系從原料（可用低品位磷礦）到工藝（省去選礦和除鎂、不用酸、不用耐酸設(shè)備等），直至質(zhì)量測(cè)定方法（改靜態(tài)水溶指標(biāo)為動(dòng)態(tài)活化指標(biāo)）的全技術(shù)鏈均發(fā)生了質(zhì)的躍升?；罨瘻睾头磻?yīng)體系與強(qiáng)酸激烈反應(yīng)體系對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 活化溫和反應(yīng)體系與強(qiáng)酸激烈反應(yīng)體系對(duì)比

2.2 活化有效性的優(yōu)點(diǎn)及技術(shù)原理

有效性是技術(shù)體系形成的基礎(chǔ)，也是活化磷肥與常規(guī)磷肥兩種生產(chǎn)體系的根本區(qū)別。

長(zhǎng)期以來(lái)各種化肥的生產(chǎn)，國(guó)內(nèi)外都是追求高水溶性。其實(shí)化肥水溶性并不是越高越好，近幾十年來(lái)，高水溶性化肥的弊病也逐漸顯現(xiàn)。磷肥水溶性高，磷養(yǎng)分容易被水沖走流失而造成富營(yíng)養(yǎng)化，或被土壤中鈣、鎂陽(yáng)離子沉淀而失效。為此，高水溶性磷肥、氮肥還需要包膜緩釋處理加以糾正，成本升高，難以推廣。而水溶性適中的活化磷肥，養(yǎng)分釋放速率適當(dāng)加快，可滿足農(nóng)作物需要，無(wú)須再緩釋處理。活化磷有效性與高水溶性化肥的緩釋同屬控釋作用，但方向相反，活化磷有效性化肥的緩釋不是由快變慢，而是由慢變快?；罨恰熬忈尅钡哪嫦騽?chuàng)新——“促釋”。與常規(guī)磷肥“第一步高水溶，第二步緩釋”相比，活化磷肥“一步到位”無(wú)須緩釋的優(yōu)勢(shì)明顯，且節(jié)能降耗［3-4］，又避免了土壤中磷濃度過(guò)高被土壤鈣、鋁、鐵、錳沉淀失效，既提高了養(yǎng)分利用率，又減少了養(yǎng)分淋溶流失而導(dǎo)致的水體富營(yíng)養(yǎng)化。

常規(guī)磷肥生產(chǎn)通過(guò)強(qiáng)酸高溫的激烈反應(yīng)工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)高水溶性，活化磷肥生產(chǎn)則是通過(guò)溫和的反應(yīng)獲得適度水溶性。其活化機(jī)制是機(jī)械化學(xué)力［5］，使磷礦（磷酸鈣）晶體結(jié)構(gòu)向無(wú)定形轉(zhuǎn)化，并使難溶的磷酸鈣化學(xué)鍵向易溶的磷酸氫鍵轉(zhuǎn)化，其水溶性大幅度增加（可達(dá)100%～500%［3，6］），而且，明顯優(yōu)于常規(guī)磷肥生產(chǎn)應(yīng)用過(guò)程中有效磷大起大落的波動(dòng)，減少了磷養(yǎng)分被土壤固定失效的損失，與農(nóng)作物磷養(yǎng)分吸收過(guò)程處于更好的供求動(dòng)態(tài)平衡?；罨行约夹g(shù)不追求過(guò)高水溶性，因此無(wú)須強(qiáng)酸實(shí)施激烈反應(yīng)，能耗大幅度下降。

2.3 活化磷肥的優(yōu)點(diǎn)

活化磷肥生產(chǎn)在原料廣泛、綠色工藝和產(chǎn)品性能、經(jīng)濟(jì)效益方面，均大大超越常規(guī)磷肥。這一技術(shù)體系的全面創(chuàng)新，使礦-酸-肥體系下難以解決的磷礦資源枯竭、環(huán)保節(jié)能等痛點(diǎn)、瓶頸問(wèn)題迎刃而解，為磷肥產(chǎn)業(yè)升級(jí)換代，實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展開(kāi)拓了新技術(shù)途徑。

1） 低碳綠色工藝貫通礦-肥全鏈

活化磷肥工藝簡(jiǎn)捷、低碳，無(wú)須硫酸，把活化劑加入磷礦粉攪拌研磨即可，全程無(wú)“三廢”排放，從開(kāi)礦至肥料產(chǎn)品及田間肥效的低碳綠色優(yōu)勢(shì)貫通礦-肥生產(chǎn)鏈全程?；罨椎牡V-肥生產(chǎn)鏈與傳統(tǒng)礦-酸-肥生產(chǎn)鏈對(duì)比見(jiàn)圖2。

圖2 活化磷的礦-肥生產(chǎn)鏈優(yōu)勢(shì)

隨著環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)格，活化磷肥的綠色低碳優(yōu)勢(shì)也更加凸顯。近年來(lái)，對(duì)于一些靠近河流水源的新礦區(qū)，當(dāng)?shù)卣踔敛辉试S選礦筑壩排渣，不允許建硫酸廠。而無(wú)酸活化磷的低碳綠色技術(shù)為礦山實(shí)現(xiàn)礦肥一體化提供了有力的技術(shù)保障。

2） 肥效高效持久

全國(guó)多點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果顯示，等量施肥條件下，活化磷肥效不亞于過(guò)磷酸鈣，甚至更優(yōu)，作物產(chǎn)量增加，品質(zhì)提升且生產(chǎn)成本下降，性價(jià)比大幅度提升［6-8］，工廠和農(nóng)民雙雙受益。

除了國(guó)內(nèi)磷礦的活化，對(duì)斯里蘭卡、印度、南非、埃及、哈薩克斯坦、巴基斯坦及美國(guó)的磷礦進(jìn)行分析，篩選出相應(yīng)的高效活化劑進(jìn)行活化磷肥生產(chǎn)，進(jìn)而對(duì)產(chǎn)品開(kāi)展盆栽實(shí)驗(yàn)，均獲成功［4，8］。在等質(zhì)量施肥條件下，活化磷肥均可取得與過(guò)磷酸鈣相當(dāng)或略優(yōu)的效果（見(jiàn)表2）。

表2 施用各活化磷肥（AP）與過(guò)磷酸鈣（SP）的玉米生物量（干質(zhì)量）對(duì)比 g/盆

活化磷肥的肥效優(yōu)于常規(guī)磷肥，并不是因?yàn)槠漯B(yǎng)分濃度高，而是其養(yǎng)分釋放均衡持久，與農(nóng)作物吸磷處于較好的供求動(dòng)態(tài)平衡。因此活化磷肥抗淋溶、抗固定力強(qiáng)，利用率高。常規(guī)磷肥的大起大落供肥特性與農(nóng)作物對(duì)養(yǎng)分的需求并不匹配，故肥效受影響?；罨追始俺Ｒ?guī)磷肥養(yǎng)分釋放與作物的養(yǎng)分吸收供求關(guān)系比較見(jiàn)圖3。

圖3 活化磷肥及常規(guī)磷肥磷養(yǎng)分釋放與作物的磷養(yǎng)分吸收供求關(guān)系比較

3） 經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益大幅度提升

近十多年來(lái)，磷肥生產(chǎn)因礦石、能源漲價(jià)及環(huán)保壓力，其利潤(rùn)空間進(jìn)一步收窄。以過(guò)磷酸鈣為例，每噸利潤(rùn)最高不足50 元。而活化磷肥保守利潤(rùn)約150元/t，是過(guò)磷酸鈣的3倍。農(nóng)民效益依作物而異，增幅一般為20%～30%。

近幾年我國(guó)磷肥年產(chǎn)量約P2O51 600萬(wàn)t，若有1/10 常規(guī)磷肥以活化磷肥（按w（P2O5）12%計(jì)算）代替，則每年節(jié)支金額達(dá)30 億元。這對(duì)我國(guó)磷肥企業(yè)破解原料、能源和環(huán)保壓力造成的困境意義重大。

3 前景與建議

3.1 發(fā)展前景

活化磷不是在原體系內(nèi)改進(jìn)某些技術(shù)環(huán)節(jié)，而是從開(kāi)礦、加工到肥料施用的產(chǎn)業(yè)鏈全程技術(shù)創(chuàng)新，低碳綠色，免選礦、免耗酸、“三廢”零排放，大幅度實(shí)現(xiàn)碳減排，肥料呈中性，不酸化土壤，養(yǎng)分利用率高，有利于促進(jìn)藥肥雙減，減量增效。經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益均大幅度提升，為實(shí)現(xiàn)低碳農(nóng)業(yè)提供了新的技術(shù)支撐。

1） 活化技術(shù)的擴(kuò)展運(yùn)用

活化技術(shù)在磷肥領(lǐng)域的擴(kuò)展有兩方面，一方面是擴(kuò)展用于常規(guī)磷肥的活化增效，生產(chǎn)活化磷銨、活化過(guò)磷酸鈣、活化鈣鎂磷肥系列產(chǎn)品；另一方面是擴(kuò)展至其他原料，如骨粉、白肥（飼料磷酸鈣副產(chǎn)品）的活化。

活化磷肥除營(yíng)養(yǎng)功能之外，還可以鈍化土壤中鎘，大幅度降低鎘污染土壤上作物中鎘含量，降幅達(dá)50%左右［9］。

此外還可以擴(kuò)展應(yīng)用于其他礦物和尾礦的開(kāi)發(fā)。例如用鉀長(zhǎng)石生產(chǎn)活化鉀［10］，用硅砂生產(chǎn)活化硅［11］；用綜合活化技術(shù)使尾礦的硅、鎂、鈣同時(shí)活化以生產(chǎn)土壤改良劑，補(bǔ)充多種中微量元素［6］，有利于連礦渣也“吃干榨盡”，實(shí)現(xiàn)綠色開(kāi)發(fā)，全面高效利用礦山資源?；罨夹g(shù)不僅用于固體肥，還可取代磷銨用于懸浮液體肥生產(chǎn)，具有抗土壤固定，節(jié)支增效等明顯優(yōu)點(diǎn)。

2） 國(guó)際合作

東南亞和非洲國(guó)家的磷肥多依賴進(jìn)口，成本遠(yuǎn)高于中國(guó)。其中一些國(guó)家有磷礦而無(wú)磷肥生產(chǎn)，該地區(qū)應(yīng)用活化磷的效益比中國(guó)更高。用外國(guó)廉價(jià)低品位磷礦及高鎂磷礦資源，生產(chǎn)活化磷系列產(chǎn)品的技術(shù)合作陸續(xù)開(kāi)展。近年來(lái)，隨著“一帶一路”的推進(jìn)，活化磷技術(shù)在國(guó)際合作中有進(jìn)一步發(fā)展。

華南農(nóng)業(yè)大學(xué)十多年來(lái)承擔(dān)的商務(wù)部的“發(fā)展中國(guó)家環(huán)境友好型肥料”國(guó)際培訓(xùn)班工作，均驗(yàn)證了活化磷的明顯肥效。在發(fā)展中國(guó)家和發(fā)達(dá)國(guó)家都可利用當(dāng)?shù)亓畠r(jià)低品位磷礦和高鎂磷礦資源，以活化技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)開(kāi)拓廣闊的國(guó)際市場(chǎng)。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)與美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)合作完成的項(xiàng)目表明，施用活化磷的處理生物產(chǎn)量甚至優(yōu)于等質(zhì)量過(guò)磷酸鈣處理10%以上［4］。與巴基斯坦信德農(nóng)業(yè)大學(xué)合作承擔(dān)的廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目也獲得類似結(jié)果。

3.2 發(fā)展建議

1） 克服創(chuàng)新的阻力——思維定勢(shì)

技術(shù)創(chuàng)新要突破原有技術(shù)，必然會(huì)與原有的思維定勢(shì)產(chǎn)生沖突。如果不能克服長(zhǎng)期形成的思維定勢(shì)阻力，技術(shù)創(chuàng)新就無(wú)從談起?；罨自谘芯窟^(guò)程中，遇到的強(qiáng)大阻力是“高濃度”的片面觀點(diǎn)，其表現(xiàn)有兩種形式。

一是追求高濃度而忽略養(yǎng)分利用率。其實(shí)，肥效高低同時(shí)取決于養(yǎng)分濃度及其利用率，并不是濃度越高肥效一定越好。高濃度更應(yīng)該注意養(yǎng)分利用率，否則高濃度會(huì)造成高污染?；罨追手杂懈叻市?，不是因?yàn)樗乃苄杂卸喔撸且驗(yàn)樗B(yǎng)分釋放均衡而持久，減少了淋溶和固定的損失，養(yǎng)分利用率更高。

二是只看一兩種養(yǎng)分而忽略其他養(yǎng)分。如磷銨是含氮、磷的高濃度肥料，而鈣鎂磷肥則被視為低濃度肥料。其實(shí)，鈣鎂磷肥的3種養(yǎng)分總含量與磷銨相比并不低，而且還有豐富的硅，是多元高濃度肥料。只按磷含量的評(píng)價(jià)很片面，不利于正確評(píng)價(jià)和開(kāi)發(fā)礦物資源。鈣鎂磷肥在國(guó)外，例如日本、韓國(guó)、巴西，肥效很好，售價(jià)也較高。而且國(guó)內(nèi)一些企業(yè)做了大量工作，證明鈣鎂磷肥在土壤改良、防病促長(zhǎng)、抗土壤重茬等方面有顯著的效果［2］。同樣道理，被丟棄的尾礦雖然磷、鉀含量不高，但是硅、鈣含量很高，各種養(yǎng)分總量不低，而且原料豐富，成本低，也是有開(kāi)采價(jià)值的礦物資源。

2） 制定與創(chuàng)新配套的政策

長(zhǎng)期以來(lái)，創(chuàng)新肥料產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)往往受到原有政策的限制。普通肥料管理辦法對(duì)于創(chuàng)新肥料技術(shù)成果轉(zhuǎn)化是難以逾越的障礙。尤其是顛覆性創(chuàng)新的肥料，在肥料登記目錄中根本不存在，往往被拒之門(mén)外。從技術(shù)突破到實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化是重要的跨越，而市場(chǎng)準(zhǔn)入則是實(shí)現(xiàn)這一跨越的關(guān)鍵。因此，急需建立新型肥料進(jìn)入市場(chǎng)的配套政策，開(kāi)辟促進(jìn)創(chuàng)新的綠色通道。有必要參考經(jīng)濟(jì)特區(qū)，建立一個(gè)有配套政策的肥料創(chuàng)新示范特區(qū)。設(shè)立進(jìn)入特區(qū)的相應(yīng)門(mén)檻（例如國(guó)家項(xiàng)目、鑒定、獲獎(jiǎng)）政策，在特定區(qū)域進(jìn)入市場(chǎng)，開(kāi)展活化磷肥等新型肥料的試驗(yàn)、示范、推廣及科普工作。在經(jīng)過(guò)一段實(shí)踐后，逐步向周邊地區(qū)輻射，做到以點(diǎn)帶面，既積極又穩(wěn)妥地推進(jìn)。