污泥磷釋放技術研究綜述

關鍵詞：剩余污泥；磷釋放；物理處理；化學處理；厭氧消化

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：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

經過污水處理廠的處理，污水中超過 9 0 % 的磷有效地轉移至污泥[]。研究顯示[2]，污泥中的磷主要存在微生物細胞（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、細胞內和EPS中，無機磷（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磷形態；有機磷（Organophosphate，OP）以磷酸單酯和磷酸二酯的形式存在于污泥和細胞中；羥基磷灰石和磷酸鈣主要分布于污泥顆粒的核心區域。細胞內和EPS是磷的主要聚集地。要從污泥中釋放磷，必須首先破壞細胞結構和EPS，從而使磷釋放于上清液。當液相中的磷含量在 5 0 ～ 6 0 m g / L 時，從液相中回收磷被認為是經濟的[3]。剩余污泥的上清液添加鳥糞石、鐵鹽等，可以獲得高品質磷礦物質。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主要涵蓋了物理、化學、生物以及多種聯合處理方法[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缺點，目的是深化對污泥磷釋放技術的理解，并為磷的回收利用提供理論依據。

1物理法污泥磷釋放技術

物理法采用熱能處理、微波輻射、超聲波應用或采用機械粉碎等工藝加速污泥內EPS的破解及破壞微生物細胞壁，從而使胞內物質得到釋放。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[8-9]

1.1超聲波法

超聲波技術借助超聲波的空化作用，能夠有效地破壞細胞和污泥絮凝體，促使其中的磷等物質釋放到溶液[]。目前，針對超聲波技術在破解剩余污泥方面的研究，重點探討了超聲頻率、作用持續時間以及聲能密度等參數對磷釋放效果的具體影響[11]。根據研究，趙婧婧等[12]探討了超聲波處理時長和聲能密度對磷釋放的影響。研究發現，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，隨著處理時間的延長，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，建議聲能密度設定在 0 . 5 ～ 2 . 0 W / m L ，處理時間不超過 ，以獲得較佳效果。超聲波處理能耗較大，成本較高，通常會與其他技術（如超聲與堿、臭氧、芬頓反應的結合）聯合使用，以提升磷釋放效率并降低處理成本。

1.2微波輻射法

微波輻射技術是指在封閉加壓的條件下對污泥施加波長介于 、頻率范圍在 0 . 3 ～ 3 0 0 G H z 的電磁波，使污泥中的細胞破裂，從而釋放出其中的磷。目前，關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間對磷釋放效率的影響。丁世林[14的研究深入分析微波熱處理技術對污泥磷釋放的影響，結果表明，在微波功率為 8 0 0 ‰ ，處理時長為 1 0 m i n 的情況下，污泥的化學需氧量（ChemicalOxygenDemand，COD）的溶出率的可達頂峰（ 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、氨基酸等有機物分解成氨氮（ ），也間接促進了聚磷酸鹽和有機磷向磷酸根離子（ ）的轉換。

1.3熱水解法

熱水解技術利用加熱促進污水處理后剩余的微生物團聚體和細胞壁的分解，使磷等物質從污泥中釋放到上清液。該技術以溫度可劃分為低溫區間（ ）和高溫區間（ ）。趙鵬鶴等[15]在研究中發現，使用低溫熱水解處理污泥時， 是實現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剩余污泥的影響，觀察到在溫度為 、加熱時間為 且 Δ p H 值為3的條件下，TP和IP的釋放量達到峰值，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 的高溫下進行熱水解，反應時間對污泥中有機物的析出影響有限；無論是 1 5 m i n 還是 的反應時間，污泥中有機物的析出量變化不大。綜合來看，熱水解技術因其應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器結垢問題可能會導致成本增加。此外，高溫處理后的污泥可能產生有毒且難降解的物質，給后續的磷回收處理帶來挑戰。

2化學法污泥磷釋放技術

化學處理方法通過施加化學劑，破壞微生物細胞的滲透壓和EPS，從而引發污泥的裂解，使得磷得以釋放進入液相[18]。這些化學劑主要包括酸性或堿性物質以及多種化學制劑[19]，如過氧化氫（ ）、臭氧、檸檬酸鹽、乙二胺四乙酸（EthyleneDiamineTetraaceticAcid，EDTA）等。根據所用化學劑的不同，化學處理法可以被劃分為酸堿處理法、絡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，細胞才能被有效破解。在對污泥磷的釋放能力進行鹽酸與氫氧化鈉效果對照的研究中，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合使用。例如，WU等[21采取了酸堿處理與厭氧消化相結合的方法聯合處理污泥，分別調整pH值到3和10，然后進行厭氧發酵。實驗結果顯示，經過酸處理的污泥釋放出的磷含量高于經過堿處理的污泥，高出 7 1 . 4 % 。但是，堿處理顯著提升了固體中有機磷向無機磷的轉化率，約 3 5 . 3 % 的有機磷被轉化，而酸預處理對有機磷轉化率的影響則相對有限。

2.2 絡合劑處理法

絡合劑處理技術通過絡合劑與金屬離子的結合，實現了磷的液相溶解。同時，絡合劑處理技術能夠破壞細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]在比較了多種絡合劑后，得出結論，在同等濃度下，EDTA的磷釋放效率最高，可達3 1 . 2 % 。EDTA與其他方法的結合方式多樣，劉博文[23]通過熱堿-EDTA耦合技術，得出污泥破解的最佳參數：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 % ），反應溫度為 ，反應時間為 3 h 。同時，EDTA與厭氧發酵過程的結合也顯示[24]，投加EDTA的實驗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

氧化處理法通過強氧化劑的作用，分解污泥中的EPS，進而破壞污泥結構并釋放細胞內的物質。在特定條件下，隨著氧化劑用量的增加，液相中的TP含量相應提高[25。芬頓氧化和臭氧氧化是常用的高級氧化法。芬頓氧化作為一種典型的高級氧化過程，涉及自由基或非自由基反應。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。在不同的化學環境下，鐵的多種形態如Fe（Ⅱ）Fe（ⅢI）離子、氧化物或絡合物等，被廣泛用作催化劑。XIANG等[2利用成本較低的微尺度零價鐵（mZVI）來激活過氧化氫（ ），實現了水中四羥甲基硫酸磷（Tetrakis Hydroxymethyl Phosphonium Sulfate，THPS）的快速高效去除；實驗結果顯示，在 1 0 m i n 內，TP和OP的去除率分別高達 9 7 . 1 % 和 9 7 . 3 1 % 。WANG等[27進一步強化了過一硫酸鹽（PMS）活化驅動的電－芬頓技術，通過選擇性生成單線態氧，促進了水中有機物的去除。臭氧氧化利用其強氧化性自由基，迅速氧化有機物。ZHANG等[28通過臭氧處理污泥，在臭氧劑量為 懸浮物時，污泥中的多糖和蛋白質溶出量分別增加了49.5倍和61.8倍。劉艷芳等[29研究發現，臭氧的添加量在一定的區間內增加時，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。

化學法的優勢在于操作簡便，反應速度快，效果顯著，且反應過程穩定。然而，其缺點包括藥劑使用量較大，實際工程應用中需要配備專業的投加和混合設備，因此運行成本較高。此外，化學藥劑有可能與污泥中的某些成分反應生成難以降解的物質，從而進一步增加了處理成本。

3生物處理法污泥磷釋放技術

生物處理法主要是利用微生物對污泥細胞分解，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注。污泥的厭氧消化過程大致可以分為水解、酸化、產氫產乙酸、產甲烷4個階段，在水解和產氫產乙酸階段，磷的釋放尤為顯著。一般而言，厭氧發酵在10d內可以達到最大釋磷率，適當延長厭氧消化時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，隨著厭氧作用時間延長，TP的含量呈現出先上升后下降的趨勢，在厭氧處理4d后達到峰值。LIU等[34]研究了酶解預處理剩余污泥的最佳條件，發現通過在厭氧發酵前對污泥進行酶促水解，可以更有效地促進磷的釋放，磷回收率達 6 7 . 9 8 % 。單獨使用厭氧消化技術的釋磷效率低于添加外源物質和超聲處理法[35-36]，因此通常需要結合物理或化學處理方法以提高磷的釋放效率。但是，厭氧消化技術存在釋磷速率慢、所需時間長、反應裝置體積大以及前期投資成本高等缺點。

4結論

通過一定的處理方式將磷從污泥中釋放，轉化成可回收的形態是實現污泥資源化利用的重要途徑。在對污泥的物理、化學及生物處理技術進行綜合概述與比較后，每一種方法單獨作用都有其優點和缺點。兩種及多種方法聯合作用的釋磷效果比單獨反應更好。物理方法操作簡便、應用范圍廣且釋磷效果好，但是能耗高、設備易腐蝕且成本高。化學法操作簡便快捷、反應速率快且穩定性強，但藥劑投加量大且初期設備成本高。厭氧消化技術結合物理或化學等方法，能有效地促進磷元素的釋放，然而這種消化過程通常耗時長，反應設施體積大。因此，需要在減少能耗，降低成本，提高釋磷率，優化操作條件等方面進一步完善技術。未來，對更加高效、經濟的破解方式的探究以及在實際工程中的推廣應用是主要的發展方向，對實現磷資源回收具有重要的意義。

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