污泥磷釋放技術(shù)研究綜述

關(guān)鍵詞：剩余污泥；磷釋放；物理處理；化學(xué)處理；厭氧消化

中圖分類號(hào)：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2025）04-0152-05

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2025.04.043

Review of Research on Phosphorus Release Technology for Sludge

XUJuan，LIYuxiao，LIUFuxin，WANG Jie，ZHAFugeng （Anhui Universityof Science and Technology，Schoolof Earth and Environment，Huainan232Oo1，China）

Abstract：The remaining sludge from sewage treatment contains alarge amount of phosphorus source.Recycling and utilizingthisportionof phosphoruscanhelpalleviate thecurrntsituationofphosphorusresourcescarcity.Theprerequisite forachievingphosphorus recycling is topromote thereleaseofphosphorus fromsludge.Therefore，thisarticlesummarizes three treatmentmethodsforposphoruseleasefromsudge：psical，hemical，andiologicaltreatment.Itrieflyoutlies the principles，dvantages，nddisadvantagesofachmethod，providingateoreticalbasisforthersearchonposporus recoveryand utilization from sludge.It also loks forwardtotheeconomic eficiencyof the practical application and promotion of sludge resource utilization.

Keywords：residualsludge;phosphorusrelease;physical treatment; chemical treatment;anaerobic digestion

經(jīng)過污水處理廠的處理，污水中超過 9 0 % 的磷有效地轉(zhuǎn)移至污泥[]。研究顯示[2]，污泥中的磷主要存在微生物細(xì)胞（占 7 3 . 7 % ）、胞外聚合物（ExtracellularPolymericSubstances，EPS）（占 1 7 . 6 % ）以及礦物沉淀（占 5 . 3 ～ 6 . 4 % ）中。在污泥固體、細(xì)胞內(nèi)和EPS中，無機(jī)磷（InorganicPhosphorus，IP）的形式包括正磷酸鹽、焦磷酸鹽和聚磷酸鹽，其中，聚磷酸鹽是主要的無機(jī)磷形態(tài)；有機(jī)磷（Organophosphate，OP）以磷酸單酯和磷酸二酯的形式存在于污泥和細(xì)胞中；羥基磷灰石和磷酸鈣主要分布于污泥顆粒的核心區(qū)域。細(xì)胞內(nèi)和EPS是磷的主要聚集地。要從污泥中釋放磷，必須首先破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)和EPS，從而使磷釋放于上清液。當(dāng)液相中的磷含量在 5 0 ～ 6 0 m g / L 時(shí)，從液相中回收磷被認(rèn)為是經(jīng)濟(jì)的[3]。剩余污泥的上清液添加鳥糞石、鐵鹽等，可以獲得高品質(zhì)磷礦物質(zhì)。液相的磷濃度越高，回收成本越低[4。因此，需要采取各種方法，促使污泥中更多的磷釋放在液相中[5。目前，污泥中磷的釋放技術(shù)主要涵蓋了物理、化學(xué)、生物以及多種聯(lián)合處理方法[6-7]。簡要分析了部分污泥磷釋放方法，綜述了這些方法的原理、磷釋放的效果以及優(yōu)缺點(diǎn)，目的是深化對(duì)污泥磷釋放技術(shù)的理解，并為磷的回收利用提供理論依據(jù)。

1物理法污泥磷釋放技術(shù)

物理法采用熱能處理、微波輻射、超聲波應(yīng)用或采用機(jī)械粉碎等工藝加速污泥內(nèi)EPS的破解及破壞微生物細(xì)胞壁，從而使胞內(nèi)物質(zhì)得到釋放。目前，超聲波法、微波輻射法以及熱水解法是污泥破解中常用的物理處理技術(shù)[8-9]

1.1超聲波法

超聲波技術(shù)借助超聲波的空化作用，能夠有效地破壞細(xì)胞和污泥絮凝體，促使其中的磷等物質(zhì)釋放到溶液[]。目前，針對(duì)超聲波技術(shù)在破解剩余污泥方面的研究，重點(diǎn)探討了超聲頻率、作用持續(xù)時(shí)間以及聲能密度等參數(shù)對(duì)磷釋放效果的具體影響[11]。根據(jù)研究，趙婧婧等[12]探討了超聲波處理時(shí)長和聲能密度對(duì)磷釋放的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在 6 0 m i n 的超聲波處理下，污泥中的磷釋放量隨著處理時(shí)間的增加而顯著提升；磷的釋放速度隨著聲能密度的增加先快后慢。在聲能密度為 的范圍內(nèi)，隨著處理時(shí)間的延長，磷釋放效果逐漸減弱。葡舒等[13]研究指出，在聲能密度為 、超聲處理時(shí)間為 的條件下，總磷（TotalPhosphorus，TP）和正磷酸鹽的濃度分別比處理前增加了1.35倍和1.00倍。因此，建議聲能密度設(shè)定在 0 . 5 ～ 2 . 0 W / m L ，處理時(shí)間不超過 ，以獲得較佳效果。超聲波處理能耗較大，成本較高，通常會(huì)與其他技術(shù)（如超聲與堿、臭氧、芬頓反應(yīng)的結(jié)合）聯(lián)合使用，以提升磷釋放效率并降低處理成本。

1.2微波輻射法

微波輻射技術(shù)是指在封閉加壓的條件下對(duì)污泥施加波長介于 、頻率范圍在 0 . 3 ～ 3 0 0 G H z 的電磁波，使污泥中的細(xì)胞破裂，從而釋放出其中的磷。目前，關(guān)于微波輻射破解污泥的研究主要集中在微波功率和作用時(shí)間對(duì)磷釋放效率的影響。丁世林[14的研究深入分析微波熱處理技術(shù)對(duì)污泥磷釋放的影響，結(jié)果表明，在微波功率為 8 0 0 ‰ ，處理時(shí)長為 1 0 m i n 的情況下，污泥的化學(xué)需氧量（ChemicalOxygenDemand，COD）的溶出率的可達(dá)頂峰（ 2 3 . 4 3 % ）。此外，溶解液中的碳與磷的比率為44.39，而磷酸根離子（ ）在TP的占比提高至0.59；微波功率的提升有助于加速污泥中蛋白質(zhì)、氨基酸等有機(jī)物分解成氨氮（ ），也間接促進(jìn)了聚磷酸鹽和有機(jī)磷向磷酸根離子（ ）的轉(zhuǎn)換。

1.3熱水解法

熱水解技術(shù)利用加熱促進(jìn)污水處理后剩余的微生物團(tuán)聚體和細(xì)胞壁的分解，使磷等物質(zhì)從污泥中釋放到上清液。該技術(shù)以溫度可劃分為低溫區(qū)間（ ）和高溫區(qū)間（ ）。趙鵬鶴等[15]在研究中發(fā)現(xiàn)，使用低溫?zé)崴馓幚砦勰鄷r(shí)， 是實(shí)現(xiàn)污泥有效破解的理想溫度。徐志嬙等[1]探討了不同溫度及酸堿條件對(duì)剩余污泥的影響，觀察到在溫度為 、加熱時(shí)間為 且 Δ p H 值為3的條件下，TP和IP的釋放量達(dá)到峰值，分別為 3 1 1 . 9 m g / L 和 2 9 3 . 8 m g / L ，與初始污泥中的TP和IP含量相比分別提升了7.9倍與8.4倍。薛勇剛[17的研究指出，在 的高溫下進(jìn)行熱水解，反應(yīng)時(shí)間對(duì)污泥中有機(jī)物的析出影響有限；無論是 1 5 m i n 還是 的反應(yīng)時(shí)間，污泥中有機(jī)物的析出量變化不大。綜合來看，熱水解技術(shù)因其應(yīng)用廣泛和操作簡便而受到青睞，但熱水解過程中的高能耗和反應(yīng)器結(jié)垢問題可能會(huì)導(dǎo)致成本增加。此外，高溫處理后的污泥可能產(chǎn)生有毒且難降解的物質(zhì)，給后續(xù)的磷回收處理帶來挑戰(zhàn)。

2化學(xué)法污泥磷釋放技術(shù)

化學(xué)處理方法通過施加化學(xué)劑，破壞微生物細(xì)胞的滲透壓和EPS，從而引發(fā)污泥的裂解，使得磷得以釋放進(jìn)入液相[18]。這些化學(xué)劑主要包括酸性或堿性物質(zhì)以及多種化學(xué)制劑[19]，如過氧化氫（ ）、臭氧、檸檬酸鹽、乙二胺四乙酸（EthyleneDiamineTetraaceticAcid，EDTA）等。根據(jù)所用化學(xué)劑的不同，化學(xué)處理法可以被劃分為酸堿處理法、絡(luò)合劑處理法和氧化處理法。

2.1酸堿處理法

酸堿處理法能夠破壞細(xì)胞滲透壓，促使磷的釋放。研究指出，只有在pH值不超過4或不小于10時(shí)，細(xì)胞才能被有效破解。在對(duì)污泥磷的釋放能力進(jìn)行鹽酸與氫氧化鈉效果對(duì)照的研究中，鹽酸作用下的污泥釋放了更多的磷[20]。酸堿處理方式也常與其他方法結(jié)合使用。例如，WU等[21采取了酸堿處理與厭氧消化相結(jié)合的方法聯(lián)合處理污泥，分別調(diào)整pH值到3和10，然后進(jìn)行厭氧發(fā)酵。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，經(jīng)過酸處理的污泥釋放出的磷含量高于經(jīng)過堿處理的污泥，高出 7 1 . 4 % 。但是，堿處理顯著提升了固體中有機(jī)磷向無機(jī)磷的轉(zhuǎn)化率，約 3 5 . 3 % 的有機(jī)磷被轉(zhuǎn)化，而酸預(yù)處理對(duì)有機(jī)磷轉(zhuǎn)化率的影響則相對(duì)有限。

2.2 絡(luò)合劑處理法

絡(luò)合劑處理技術(shù)通過絡(luò)合劑與金屬離子的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了磷的液相溶解。同時(shí)，絡(luò)合劑處理技術(shù)能夠破壞細(xì)胞膜并分解胞外聚合物，有效提高了磷的釋放率。李炳堂等[22]在比較了多種絡(luò)合劑后，得出結(jié)論，在同等濃度下，EDTA的磷釋放效率最高，可達(dá)3 1 . 2 % 。EDTA與其他方法的結(jié)合方式多樣，劉博文[23]通過熱堿-EDTA耦合技術(shù)，得出污泥破解的最佳參數(shù)：固液比為 1 . 0 ： 8 . 5 ， 值為12.5，EDTA投加量為 濕污泥（含水率 8 4 . 5 8 % ），反應(yīng)溫度為 ，反應(yīng)時(shí)間為 3 h 。同時(shí)，EDTA與厭氧發(fā)酵過程的結(jié)合也顯示[24]，投加EDTA的實(shí)驗(yàn)中磷的釋放效率明顯高于未投加EDTA的情況。

2.3氧化處理法

氧化處理法通過強(qiáng)氧化劑的作用，分解污泥中的EPS，進(jìn)而破壞污泥結(jié)構(gòu)并釋放細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)。在特定條件下，隨著氧化劑用量的增加，液相中的TP含量相應(yīng)提高[25。芬頓氧化和臭氧氧化是常用的高級(jí)氧化法。芬頓氧化作為一種典型的高級(jí)氧化過程，涉及自由基或非自由基反應(yīng)。在活性金屬離子的催化作用下，通過添加過氧化物，例如 和過硫酸鹽。在不同的化學(xué)環(huán)境下，鐵的多種形態(tài)如Fe（Ⅱ）Fe（ⅢI）離子、氧化物或絡(luò)合物等，被廣泛用作催化劑。XIANG等[2利用成本較低的微尺度零價(jià)鐵（mZVI）來激活過氧化氫（ ），實(shí)現(xiàn)了水中四羥甲基硫酸磷（Tetrakis Hydroxymethyl Phosphonium Sulfate，THPS）的快速高效去除；實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在 1 0 m i n 內(nèi)，TP和OP的去除率分別高達(dá) 9 7 . 1 % 和 9 7 . 3 1 % 。WANG等[27進(jìn)一步強(qiáng)化了過一硫酸鹽（PMS）活化驅(qū)動(dòng)的電－芬頓技術(shù)，通過選擇性生成單線態(tài)氧，促進(jìn)了水中有機(jī)物的去除。臭氧氧化利用其強(qiáng)氧化性自由基，迅速氧化有機(jī)物。ZHANG等[28通過臭氧處理污泥，在臭氧劑量為 懸浮物時(shí)，污泥中的多糖和蛋白質(zhì)溶出量分別增加了49.5倍和61.8倍。劉艷芳等[29研究發(fā)現(xiàn)，臭氧的添加量在一定的區(qū)間內(nèi)增加時(shí)，溶液中TP濃度隨之逐漸升高，每克混合液懸浮固體的臭氧最大投加量為 0 . 1 5 g 。部明明等[30]研究表明，最佳臭氧劑量為 懸浮物，這有助于促進(jìn)污泥的厭氧消化過程，并提高高固含量污泥的溶出效率。

化學(xué)法的優(yōu)勢在于操作簡便，反應(yīng)速度快，效果顯著，且反應(yīng)過程穩(wěn)定。然而，其缺點(diǎn)包括藥劑使用量較大，實(shí)際工程應(yīng)用中需要配備專業(yè)的投加和混合設(shè)備，因此運(yùn)行成本較高。此外，化學(xué)藥劑有可能與污泥中的某些成分反應(yīng)生成難以降解的物質(zhì)，從而進(jìn)一步增加了處理成本。

3生物處理法污泥磷釋放技術(shù)

生物處理法主要是利用微生物對(duì)污泥細(xì)胞分解，使其中的磷釋放出來[31]。該過程主要分為厭氧消化和好氧消化兩種方式。厭氧消化因其顯著的效果和成本效益而受到較多研究關(guān)注。污泥的厭氧消化過程大致可以分為水解、酸化、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸、產(chǎn)甲烷4個(gè)階段，在水解和產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段，磷的釋放尤為顯著。一般而言，厭氧發(fā)酵在10d內(nèi)可以達(dá)到最大釋磷率，適當(dāng)延長厭氧消化時(shí)間可以緩慢提升磷的釋放率[32]胡德秀等[33]探討了厭氧條件下磷釋放的模式，研究成果指出，隨著厭氧作用時(shí)間延長，TP的含量呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，在厭氧處理4d后達(dá)到峰值。LIU等[34]研究了酶解預(yù)處理剩余污泥的最佳條件，發(fā)現(xiàn)通過在厭氧發(fā)酵前對(duì)污泥進(jìn)行酶促水解，可以更有效地促進(jìn)磷的釋放，磷回收率達(dá) 6 7 . 9 8 % 。單獨(dú)使用厭氧消化技術(shù)的釋磷效率低于添加外源物質(zhì)和超聲處理法[35-36]，因此通常需要結(jié)合物理或化學(xué)處理方法以提高磷的釋放效率。但是，厭氧消化技術(shù)存在釋磷速率慢、所需時(shí)間長、反應(yīng)裝置體積大以及前期投資成本高等缺點(diǎn)。

4結(jié)論

通過一定的處理方式將磷從污泥中釋放，轉(zhuǎn)化成可回收的形態(tài)是實(shí)現(xiàn)污泥資源化利用的重要途徑。在對(duì)污泥的物理、化學(xué)及生物處理技術(shù)進(jìn)行綜合概述與比較后，每一種方法單獨(dú)作用都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。兩種及多種方法聯(lián)合作用的釋磷效果比單獨(dú)反應(yīng)更好。物理方法操作簡便、應(yīng)用范圍廣且釋磷效果好，但是能耗高、設(shè)備易腐蝕且成本高。化學(xué)法操作簡便快捷、反應(yīng)速率快且穩(wěn)定性強(qiáng)，但藥劑投加量大且初期設(shè)備成本高。厭氧消化技術(shù)結(jié)合物理或化學(xué)等方法，能有效地促進(jìn)磷元素的釋放，然而這種消化過程通常耗時(shí)長，反應(yīng)設(shè)施體積大。因此，需要在減少能耗，降低成本，提高釋磷率，優(yōu)化操作條件等方面進(jìn)一步完善技術(shù)。未來，對(duì)更加高效、經(jīng)濟(jì)的破解方式的探究以及在實(shí)際工程中的推廣應(yīng)用是主要的發(fā)展方向，對(duì)實(shí)現(xiàn)磷資源回收具有重要的意義。

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