磷危机下的磷回收策略与立法*

郝晓地 郭小媛 刘 杰 江 瀚

(北京建筑大学城市雨水系统与水环境省部共建教育部重点实验室，中-荷未来污水处理技术研发中心，北京 100044)

磷是动植物体内一种必不可少的营养元素。磷是植物体内细胞原生质的主要组成部分，参与植物的能量转换、代谢调节、蛋白质激活等多种细胞代谢活动[1]。磷对动物骨骼矿化、核酸代谢、能量代谢、脂质代谢、酶激活以及体液酸碱平衡调节等都具有重要生化作用[2]。人体内磷大约占体重的1/10，其中80%与钙结合成磷酸钙盐形式组成人的骨骼和牙齿；其余磷则与蛋白质、脂肪、糖等结合形成有机物，几乎参与到所有的生化反应；同时，磷也会通过促进脂肪与脂肪酸分解从而调节人体酸碱平衡[3]。

磷在自然界主要以地壳中的磷矿形式存在，被人类开采后大多(超过80%)用于化肥(磷肥)生产，以满足人口增长对粮食生产的需要。然而，施入土壤的磷肥被作物吸收率很低(5%～20%)，绝大部分残留于土壤中，在雨水冲刷和地表径流的作用下进入河湖等水体，最终进入海洋[4]36。然而，要想从海洋中回收磷并非易事，因此可以说，磷在自然界中的流向呈从陆地向海洋的直线流动形式，属于不可再生、不可替代的有限资源。如果没有了磷，人类将面临食物短缺。然而，磷在地球上现已探明的储量不足以维持人类使用100年[4]36，意味着地球磷危机的来临。

基于可持续发展的需要，国际上愈来愈重视对磷资源的保护与回收利用。除农业上尽可能做到磷的闭路循环以及提高磷肥利用率外，从点源入手回收磷则是另一种可持续发展目标，这就使得从动物粪尿、污水/污泥中回收磷成为研究的热点和应用方向。目前，已有不少国家颁布法律强制要求从动物粪尿和污水/污泥中回收磷。瑞士是欧洲第一个强制从污水/污泥、动物粪尿中回收磷的国家，已经建立起磷元素封闭循环的管理体系，从而大大减少对磷矿石进口的依赖。本研究从全球磷危机入手，对磷回收方法、国外磷回收案例与法规进行了归纳总结，以此来促进我国制定相应的磷回收政策与法律。

1 地球磷危机

1.1 磷矿资源分布不均、品位差异大

世界磷矿资源主要分布在北半球，在摩洛哥、西撒哈拉、中国、美国、俄罗斯、南非等比较集中。据美国地质调查局(USGS)统计，截至2017年底，全球已探明磷储量为700亿t，其中摩洛哥和西撒哈拉的储量达到500亿t，且均为优质富磷矿(P2O5质量分数≥34%)，且埋藏浅、易于露天开采[5]。我国的磷储量虽然也有34亿t，但富磷矿(P2O5质量分数≥30%)不多，大约只有一半，很多是中低品位磷矿；而且我国80%的磷矿属于较难选矿的胶磷矿，选矿成本极高[4]37,[6-7]。

1.2 磷难以再生

磷在生物圈中的循环方式相比于氮而言范围极小。动物粪尿返田虽属原生态的营养物质循环方式，但严格意义上说也并非自然循环，而是一种模拟生态循环的“人工”循环。因此，相对于人类对磷矿的大尺度开挖利用，磷的自然循环比例几乎可以忽略不计，形成了一种从陆地向海洋直线流动的沉积过程。

自然界中的磷矿主要以天然磷酸盐矿石和鸟粪石等形式存在。经天然侵蚀作用，磷酸盐会进入地表水体，这也是湖泊会从贫营养向富营养演变直至变为沼泽甚至沙漠的自然原因。绝大多数磷酸盐矿石已被人工开采用于化肥生产，但被作物吸收而进入食物链的磷比例只有5%～20%[4]36，大部分磷聚积在了土壤中，通过水循环最终流入大海而沉积于海底。沉积在海底的磷只有极少部分会通过人类捕食海洋生物重新被带回陆地，绝大部分只有经过数以亿年计的地质演变方有可能回到陆地。

1.3 磷危机应对之策

磷矿资源储量有限、分布不均、不可再生以及人类过度开发所导致的全球磷危机实际已经出现。对我国来说，磷矿资源将在更短时间内被消耗殆尽[8]。

由于磷直接关系到人类的食物来源，若陆地上缺了磷，人类在不久的将来便可能会面临食物短缺的危机，因此人类应该尽早、尽快去保护磷矿资源。

冲水马桶、下水道、污水处理厂等现代文明产物早已使人类排泄物中的磷难以回归土地；动物粪尿也在被化肥广泛替代的情况下失去了回归土地的机会。为最大限度遏制磷的消耗速度，建议尽可能恢复粪尿返田的原生态循环方式，或通过技术和工程手段从动物粪尿和污水/污泥中最大程度地回收磷。

2 磷回收方法

2.1 动物粪尿无害化返田

动物粪尿直接返田利用早已贯穿中华民族几千年的农业发展过程，动物粪尿中的磷可作为农作物主要营养来源和很好的土壤改良剂[9]。人类正面临磷危机，动物粪尿作为天然磷肥返田利用不仅可将动物粪尿“变废为宝”，而且可减少对化学磷肥的广泛依赖，从而有效减缓磷的消耗速度，是实现磷回收的有效方法。然而，现代社会畜牧养殖业已朝着集约化、规模化方向发展。为追求家禽、家畜的高产量和高品质，会使用各种饲料添加剂，导致动物粪尿中存在了金属和抗生素等可能危害生态环境和人类健康的物质。

虽然饲料中添加某些金属可促进家禽、家畜的生长，抗生素能抑制有害微生物对家禽、家畜的危害，但也会因饲养动物的低消化吸收率导致金属与抗生素随粪尿排出。含金属和抗生素的动物粪尿一旦进入农田，一方面可能造成农田面源污染，另一方面可能会随粮食/蔬菜或被污染的饮用水源而进入人体，对人体健康造成威胁。动物粪尿中的抗生素随食物链进入人体，会给人类肝、肾及神经系统、消化系统带来潜在副作用；金属中的重金属经食物链进入人体，则会在人体中累积，导致慢性中毒效应[10]。

因此，科学使用饲料添加剂，从源头上控制畜牧养殖业动物体内的重金属与抗生素摄入量便是“防患于未然”的有效措施，可显著降低动物粪尿中的重金属与抗生素含量，提高动物粪尿返田的安全性。事实上，从确保长期粮食安全和磷的可持续利用角度看，畜牧养殖业中广泛使用饲料添加剂本身就并非长久之计，因此政府部门应严格制定饲料添加剂的相关标准，严禁在饲料生产过程中过量、违规使用金属或抗生素。早在1999年欧盟就宣布，饲料中仅允许使用4种抗生素，而从2006年开始更是在法律上全面禁止了饲料生产中使用抗生素[11]，制定了饲料中允许使用的重金属添加剂限量标准，涵盖了铅、汞、镉、铬、砷等重金属，比我国现行的《饲料卫生标准》(GB 13078—2017)还要严格[12]。荷兰从2011年9月开始，也不再允许饲料企业为养殖场定制加药饲料[13]。

金属及抗生素使用限制了动物粪尿返田利用的安全性，因此饲料添加剂源头控制是动物粪尿返田利用的安全保障。唯有科学使用饲料添加剂，严格控制金属及抗生素的添加量，方能安全恢复动物粪尿返田利用，最大限度减少化肥使用量，有效遏制对磷矿资源的过度、无序攫取。

2.2 农村污水源分离粪尿利用

所谓生态农业其实就是循环农业，而对人和动物粪尿循环利用则是最基本的原生态方式。粪尿返田目前之所以不再受农民青睐以至于被撇弃的主要原因是化肥的竞争，当然也有对粪尿中病原菌、寄生虫卵等危害健康的过分担忧。在磷危机四伏的情况下，全球磷矿石价格已经开始飙升，必将导致今后化肥成本的再次提高，因此建议农民再次主动使用农家肥。政府也应主动以磷矿资源税或化肥税方式主动提高化肥价格，尽早通过经济杠杆作用来推动农民积极回归采用粪尿返田的习惯。至于粪尿中病原菌等微生物灭活问题，采用传统粪尿收集、集中沤肥方式就可以在很大程度上达到灭活的效果，辅以现代多种灭菌技术，就更加安全了。

按农村常住人口5.7亿计算，农村人口1年的全部粪尿返田能够满足836万hm2小麦、玉米轮作种植地对磷的需求[14]。需要指出的是，使用安全的农家肥种出的粮食、蔬菜事实上更是绿色农产品，更有利于人体健康。

当然，农村粪尿返田并不意味着让农民继续维持简陋的旱厕习惯，可以通过源分离便器实现对粪尿与污水的有效分离[15-16]。虽然源分离概念源于欧洲，但其实对发展中国家的农村最适合。当粪尿与农村生活污水实现分离并被卫生返田利用后，也有利于农村生活污水的处理。

2.3 城市污水/污泥磷回收

2.3.1 从污水中回收鸟粪石

污水脱氮除磷工艺的厌氧上清液侧流可以回收磷[17]。磷一般以磷酸盐沉淀的形式予以回收，其中鸟粪石因P2O5含量高(质量分数28.98%)而受到广泛青睐，它既可以直接作为缓释肥使用，也可用于磷肥生产[18]。鸟粪石生成条件应为中性或者偏弱酸性，而在碱性条件下很难生成比较纯的鸟粪石，多为磷酸盐混合物[19-20]。因此，从污水中回收鸟粪石控制好pH非常关键。

2.3.2 从污泥中回收蓝铁矿

2.3.3 污泥焚烧灰分磷回收

污水处理后的污泥处理处置因填埋无地、农用无路(肥效低)而逐渐转向了焚烧[22]。其实，污水中90%的磷最后都进入了污泥[23]1150。当实施污泥焚烧后，磷则残留在了灰分之中。因此，从污泥焚烧灰分中回收磷实际上转变成了一种选矿或化工过程，相对来说对磷的提取并不困难，难点在于需要去除重金属[23]1150。很多欧洲国家以及日本大都对污泥实施焚烧处置，我国也已开始对部分污泥进行焚烧处置。

污泥焚烧的好处是可最大限度回收所含有机能量(发电)、杀灭全部病原菌、最大程度实现污泥减量，形成的灰分实施磷回收的可持续意义亦不可小觑。目前，对于污泥焚烧除需要考虑投资问题外，还需要考虑二噁英、NOx和重金属的排放对人类健康的影响[24]9。不过，已有研究和实践证明，这些污染物可以通过控制焚烧温度在800 ℃以上来抑制，后续也可以通过尾气净化装置进行去除[24]11。

以鸟粪石和蓝铁矿的形式回收磷适用于分散式磷的回收，回收效率仅为20%～25%；而从污泥焚烧灰分中回收磷适用于大规模集中式磷回收，回收效率可达70%～90%[25]。污泥焚烧灰分磷回收不仅具有磷回收效率高的优点，而且方便在工艺设计中把重金属去除考虑进去，其回收的磷一般生物可利用程度也比较高[26]。同时，污泥焚烧灰分磷回收成本仅为从污水中回收鸟粪石和从污泥中回收蓝铁矿的80%和24%[27]。可见，从污泥焚烧灰分提取磷是未来污水/污泥中磷回收的主要发展方向。

3 国内外磷回收案例与立法现状

有关磷回收的实际应用案例在国外较多，特别是欧洲，因为欧洲基本没有磷矿，更需未雨绸缪。欧洲在磷回收案例与立法方面的一些成果可供我国借鉴与参考。表1列举了一些典型磷回收案例。可以发现，磷回收在技术层面没有太多难点，需要的是政府立法支持、鼓励和补贴，否则磷回收市场很难被驱动。欧盟及其成员国不仅在磷回收技术方面走在了世界前列，而且也及时出台了磷回收政策与法律法规。欧盟2019年最新出台的《肥料产品法规》更是为磷回收产品自由进入市场流通打破了贸易壁垒。欧盟及其成员国也纷纷相继出台各种落实政策与法律法规，引导各类磷回收计划实施。表2列举了欧洲部分国家的磷回收政策与法律法规，可供我国参考。荷兰与瑞士主要关注营养物的回收与循环，以减少对矿物磷肥的使用；德国、法国建立起了磷回收法律框架或网络系统，促进了磷回收产业的发展；丹麦重点在于污泥焚烧灰分磷回收，而且丹麦还准备依托渔业发展实现囊括水产养殖业的磷循环。

表1 国外典型磷回收案例

表2 部分欧洲国家磷回收政策与法律法规

目前，我国对磷回收还没有出台相关政策与法律法规，甚至一些污泥焚烧实践也没有把磷回收考虑进去，例如《城镇污水处理厂污泥处理处置技术指南(试行)》中虽确立了污泥焚烧的市场地位，但在水泥窑中混烧被列为推荐工艺，混合污泥灰分建议直接用作水泥原料，结果就把灰分中的磷固定到了水泥中，使其无法再回收利用。其实，磷回收的概念目前在我国已不陌生，但基本都局限在学术界，几乎还没有真正的实践案例，更谈不上磷回收市场的建立。究其原因，主要是还没有相应的政策与法律法规支撑。

4 结 语

磷是动植物生长所必需的营养元素，直接关系到人类的粮食问题。化肥的发明使农业生产获得较高收成，但同时也导致了磷矿过快消耗。现已探明且可挖掘的磷矿资源只够人类使用不到100年。磷属于不可再生资源，城市化后的现代卫生排水设施使其更加难以回归土地，导致其呈直线流动形式从陆地流入海洋。磷危机已经出现，其后果相当严重，关系到人类的粮食问题。为此，建议通过一切可能且必要的手段恢复人与动物粪尿的无害化返田，最大限度遏制磷的消耗速度。难以返田的城市粪尿，可从污水/污泥处理处置过程中回收磷，充当“第二磷矿”的角色。实现磷回收技术不是限制因素，最重要的是及时地从管理层面建立相应的政策与法律法规来推动磷回收。