鸟粪石回收磷的新探索

出品：科普中国

制作：中科院武汉植物园

工业生产和日常生活中排放的废水中含有高含量的磷，通过雨水冲淋和地表径流等方式进入水体和湖泊，引发浮游藻类大量繁殖，造成水体富营养化现象。

生物除磷 OR 化学除磷

当前常用的除磷途径有生物除磷法和化学除磷法。废水的生物除磷是指采用厌氧-好氧工艺，使磷以溶解态为微生物所摄取，并随同微生物从污水中分离的除磷方法。尽管经过几十年的发展，生物除磷技术已经非常成熟，但还是存在一些固有的弊端，如工艺复杂且运行不够稳定，运行费用高，生化反应速率有限等，导致除磷效果有限。

化学除磷是通过加入金属离子在特定条件下将溶解态的磷沉淀转化为一种固体态的磷。常用的金属离子有钙、铁、镁和铝等。化学方法的总除磷效率在一定条件下可达到90%以上，具有操作简单、除磷效果好等特点。

鸟粪石回收磷：效率高、成本低

在碱性条件下，废水中加入适量镁盐，可收获白色粉末状物质（图1）。通过这种化学除磷沉淀的方法可以有效回收去除废水中的磷。这种物质化学名是磷酸铵镁，俗称“鸟粪石”。

（图1 从废水中获取的鸟粪石粉末）

鸟粪石在水中的溶解度极低，可作为一种磷肥生产的原材料或缓释肥料，用于农作物生长。基于这种沉淀法可回收废水中95%以上的磷，只需投加一定量的碱和镁源，具有效率高、成本低的优点。这不仅有利于实现废水中磷资源的循环利用，也有利于减轻水体污染和磷去除负荷。

废水中的钙离子：影响鸟粪石回收磷

废水中同样含有一定量的钙。钙离子在碱性条件下会和镁竞争，也可能和磷反应形成一系列磷酸钙化合物沉淀，这可能会影响磷回收效率和形成鸟粪石晶体特征。

中科院武汉植物园污染生态学学科组针对这一问题，研究了废水中不同钙镁摩尔比在鸟粪石磷回收过程中对水质参数和晶体特征的影响。

研究发现，钙离子会影响水体pH、氮磷浓度，也会影响形成的晶体特征，如粒径、形状、纯度和元素组成等。同时，由于鸟粪石与磷酸钙的结晶机理存在差异，随着钙离子浓度的增加，废水中会形成更多潜在的钙磷化合物，使得形成晶体中镁离子比例降低和鸟粪石纯度降低。

这一方面导致晶体形状由细长的针状向圆柱状或（椭）圆球发展（图2）；另一方面，形成晶体中钙含量越来越高，大大降低了鸟粪石的纯度。

图2 不同钙含量条件下获取鸟粪石晶体的形态特征

（左图：钙镁摩尔比为0；右图：钙镁摩尔比为3/2）

科研人员发现，当废水中钙镁摩尔比大于1/2时，就不再合适进行磷回收，因为这种条件下获取的低纯度鸟粪石含有一定量的钙磷化合物，已不再具有鸟粪石的元素组成和缓释特性，失去了其原有市场价值。

未来，科研人员将通过中试实验进一步验证废水中磷回收在经济上的可行性，努力开拓大粒径高纯度鸟粪石的商业农用价值，实现磷资源的循环利用。