低品位磷矿的深度开发与磷肥的高效利用

卫尤明，廖宗文，毛小云

（华南农业大学 资源环境学院，广东 广州 510642）

1 我国磷资源及其加工利用存在的问题

1） 资源短缺及环保形势严峻 我国磷矿大部分是高镁中低品位矿，在现有技术体系中很难被利用。通过选矿或除镁可以提高磷品位，但成本增加，而且选矿后的矿渣长期堆放存在潜在的环境风险，也是对紧缺磷资源的浪费［1］。每选w（P2O5）30%的磷精矿1 t 将产生尾矿4 t 以上［2］。近年来，一些磷肥企业因为环保问题而停产整改。

2） 国内外磷矿加工技术问题 磷化工生产需要用富矿和强酸（或高温煅烧），是一种激烈反应的高能耗体系。在环保日益严格、能源成本日益上升的大背景下，企业因资源短缺、成本高而困境日益加深。现有技术体系下的改进效果已接近“天花板”，难获突破性进展，迫切需要重大技术突破。

3） 现有磷肥产品养分利用率低 过磷酸钙（SP）、磷铵等常规磷肥养分利用率低，更加剧了磷资源的消耗。如何增强磷肥的抗固定能力，提高其利用率，成为亟待解决的重大课题。

笔者所在课题组在原料、加工技术和产品性能3 个环节进行创新，逐渐探索出基于活化态有效性的无酸活化磷肥生产新技术，在多年生产实践中显示出高效、节能、环保的优越性。

2 磷有效性的思考

有效磷为水溶性（或枸溶性），因此，各类技术都以磷矿向水溶性磷转化为目标。但是，水溶性磷与难溶性磷之间是否还存在一种新的有效状态？笔者所在团队的研究表明，确有这种有效性，就是位于0与1之间的活化态有效性［3］。

其实这种“中间态”有效性已在国内外生产实践中得到证实［4］，磷矿与污泥等堆肥制备的缓释型磷肥在等有效磷施肥条件下表现出了比水溶性磷肥更优的肥效，并验证了这类缓释型肥料具有抗淋溶等环境友好特征。但该类肥料有效磷含量低，需要较大的施用量方能达到效果，且无有效的定量测定方法，难以广泛应用。这种经验层面的技术，未能提升到有效性概念角度进行分析，一直未能发展成为商品磷肥。

华南农业大学新肥料资源研究中心以活化态有效性为突破口，经过多年研究，成功研发以低品位磷矿为原料的无酸活化磷肥，并提出以连续多次水抽提法定量测定这一活化态有效性［5］，可反映磷释放动态过程的均衡稳定，与肥效有很好的相关性。

与高度水溶的经典有效性不同，活化态有效性目标是适度水溶，其对比见图1。常规化肥目标是高水溶性，但水溶性磷易于流失，也易于被固定，为此要缓释处理以纠正。而活化技术使磷释放速度适当加快，与作物需求达到基本平衡，实现了“一步到位”，肥效明显且节能降耗。

3 活化态有效性的动态测定方法

现有的磷肥有效性以一次浸提水溶性磷来衡量，是一种静态值，不能反映供肥过程的动态稳定性，因而不能反映利用率的高低。而连续水提的动态测量法，可以反映活化态有效性的持续性长、土壤固定率低、肥料利用率高等常规磷肥所不具备的突出优点。

与磷矿粉相比，4 种活化磷的水溶性磷提高500%左右，且波动小（见图2），明显有别于常规磷肥前高后低的供肥方式，避免了前期养分释放太快，营养过剩，且易于固定失效，而后期养分供应不足的问题［5］。

图2 连续浸提法测定各活化磷水溶性磷质量分数

4 活化磷的生产及活化机制分析

长期以来，国内外的磷肥生产基本上归为2类，一是强酸分解磷矿生产过磷酸钙、磷铵，二是高温煅烧磷矿生产钙镁磷肥，均为激烈化学反应。基于活化态有效性的活化磷生产则是温和反应，在常温下把少量活化剂加入磷矿粉中，无须加酸，经研磨加工即可制得产品。

活化磷肥系列产品呈中性。活化剂多取自工农业废弃物，经物理、化学修饰等处理而制成，成本低。所用磷矿原料一般是w（P2O5）大于18%的低品位矿。低品位磷矿及不用硫酸这两项可减少成本200 元/t，扣除活化剂 50 元/t，可节约成本 150 元/t。而且，把相应的活化剂分别加入过磷酸钙、钙镁磷肥或磷铵后进行加工，即可生成活化过磷酸钙、活化钙镁磷肥或活化磷铵系列产品［6-7］。

活化剂在研磨加工过程所产生的机械力化学效应可使磷矿粉的微观结构和化学键发生改变，磷矿粉X 射线衍射（XRD）图显示其特征衍射峰强度明显下降，晶相比例减少而无定形态增多，红外光谱（IR）分析结果显示H2PO4－特征吸收谱加强，并出现新的H2PO4－特征吸收谱，证实了磷矿粉中难溶性磷向有效磷状态转变［8-9］。这些理化微观结构的变化有利于磷的活化，与动态浸提法所显示的水溶性磷增加的结果相吻合。研究表明，不同种类的活化剂、研磨时间、温度、湿度及微波处理参数等对于活化效果有重要影响。

5 活化磷的肥效

活化磷肥由于具有较强的抗固定能力和较高的连续供磷能力，对农作物有较高的肥效。十多年来，在广东、广西、山东、四川、贵州、云南开展肥效试验，以过磷酸钙为对照，在等质量（低成本）条件下进行的盆栽及田间试验结果表明，活化磷肥对玉米、甘蔗、香蕉、辣椒、水稻等作物的增产幅度一般达10%以上，节支增效明显。其中甘蔗不但产量高，而且锤度有所增加，可增加糖厂和农民的效益。课题组对外国（如南非、斯里兰卡、印度、巴基斯坦、美国） 磷矿粉进行的活化试验均获成功［10-11］。而且，由于活化磷供肥稳定，抗固定能力强，后效明显优于过磷酸钙（见表1）。

经用活化剂水淬-研磨加工的活化钙镁磷肥，速效性及抗固定能力大幅度提升，因而肥效明显提高（见表2）。

表1 活化磷肥盆栽玉米生物量、吸磷量和土壤残留有效磷

表2 不同活化钙镁磷肥的水溶性磷连续水浸提动态值

国内外研究一般认为，北方土壤不宜直接施用磷矿粉，但用活化剂处理后制得的活化磷矿粉，在北方碱性盐土上施用则具有明显的肥效。盆栽试验结果表明，活化磷矿粉可显著增加春小麦的地上部和根系生物量，提高植株的吸磷量，提高大豆百粒质量、玉米千粒质量及产量。

6 活化磷的应用前景

6.1 活化磷技术优势明显

活化磷的应用对我国磷肥的原料、生产工艺和产品性能等方面均有重要的战略意义。

（1）扩充磷资源库。我国磷矿重金属含量低，直接利用有天然优势，不选矿直接利用，其耗竭期可延长100 年［12］。活化磷生产可直接利用的磷矿w（P2O5）可低至18%，扩大了可直接利用的磷资源量。

（2）工艺简单、节支低碳。活化磷生产工艺无须与硫酸的混合、化成过程，无须专用设备，只需普通的混合设备，投资较小，成本低，成本可降低200 元/t 左右（节约硫酸，可用低品位矿、免选矿）［1-2，7］。

（3）肥效提升。活化磷肥效稳定，生物有效性高，抗土壤固定能力强，产品呈中性，不会导致土壤酸化。

（4）应用面广。活化技术还可用于以矿物钾为（钾长石、钾页岩）原料的活化钾肥生产及尾矿利用。活化后的钾长石水溶性钾大幅度提高，肥效明显［13］。选矿后尾渣堆（含磷、镁、硅），只要重金属不超标，可应用活化技术生产活化镁、硅肥及土壤调理剂系列产品。

6.2 形势发展需要

在磷资源需求持续提升而高品位磷矿日益短缺的情况下，低品位磷矿的深度开发和高效利用将为磷肥企业节能降耗和提质增效提供新的有力的科技支撑。

1） 资源优化配置 在现有技术框架下，国内外对磷矿资源的利用现状均为重富（矿）轻贫（矿）。中低品位磷矿价格低，在国内一些矿区甚至弃置不用，而新技术可以使低品位磷矿成为与高品位磷矿同等有效的资源，大幅度提升磷矿和相应磷肥产品的经济价值。在国内可以采取“运富留贫”的资源配置方法，即富矿（高品位磷矿）、高浓度磷肥（磷铵、重过磷酸钙）运往外地，可以提高运输效率，而低品位磷矿就地或就近加工成高效磷肥，既节约资源，又降低成本，提高了经济效益。

2） 国际合作，推进“一带一路” 新技术可以利用外国廉价低品位磷矿生产高效磷肥产品，这样在国际竞争中就出现了一种利用外国廉价资源开拓国外市场的可能性，也为我国的产学研结合提供了一个广阔的国际发展空间。哈萨克斯坦有大量磷矿和廉价电力，我方可以应用获俄罗斯授权的专利技术在哈萨克斯坦生产高效磷肥，哈萨克斯坦则将产品或磷矿运回新疆作技术补偿。这样，新疆可以获得新的低成本资源，同时又可减少国内磷资源的消耗及运输费用。项目组已对哈萨克斯坦磷矿进行活化处理，获得成功。东南亚国家如印尼、马来西亚、菲律宾、泰国、柬埔寨等，均需进口国外磷肥或磷矿。其中菲律宾、泰国、越南有磷矿，但磷肥加工能力弱，利用当地磷矿资源，生产活化磷肥，可就地销售，也可出口到东南亚其他国家，或直接将磷矿输出到东南亚其他国家就地加工成高效磷肥系列产品。中东的摩洛哥、突尼斯、埃及、约旦等国家磷资源丰富，在那里就地加工或输出磷矿，也蕴含巨大商机。笔者所在团队对柬埔寨、南非、巴基斯坦、突尼斯、斯里兰卡的磷矿进行活化研究，也找到了相应的活化剂，进行有效磷测定和肥效试验，均获得预期效果。笔者所在团队与巴基斯坦信德农业大学合作承担了广东省国际合作项目（利用巴基斯坦磷矿研发促释型磷肥及其应用2017A050501029），进展良好。

最近项目组成员在美国以佛罗里达州的高镁磷矿试制的活化磷，在等量施肥条件下与过磷酸钙（w（P2O5有效）18%）和磷铵肥效相当［11］。

7 有待克服的困难及建议

虽然活化磷有明显的技术优势和市场竞争力，但仍需要克服市场准入的一些困难。用现有的常规方法无法测定活化磷的有效性，而新的动态测定法尚需一定时间才能被逐步接受。市场准入及肥料登记的管理政策也需要逐步推进。目前，可把活化磷纳入土壤调理剂范围登记，作为进入市场的过渡办法。但因其名称未能充分反映产品在长效增产、低碳环保方面的优势，也影响了部分企业的积极性。

建议相关企业加强与管理部门沟通，制定积极而稳妥的系列政策，为包括活化磷在内的新型肥料开辟产品质量标准审批的“绿色通道”，促进技术创新成果的转化。