我国磷石膏资源化利用政策解读及研究进展刍议*

高卫民，冉 景，朱巧红

(中冶生态环保集团有限公司，北京 100020)

0 引言

生产复合磷肥和磷酸盐均需要磷酸，而湿法生产磷酸必将产生大量的废渣——磷石膏。磷石膏是一种酸性废弃物，多呈灰白色、黄色和灰黄色，为多组分复杂晶体结构，主要成分是二水硫酸钙(CaSO42H2O)，还含有多种杂质以及少量的铜、锌、铅、镉、砷、汞等[1-2]。

磷石膏的产生量与磷复肥的生产量呈正相关，每生产1 t磷肥(以P2O5计)将产生4.5～5.5 t磷石膏。磷肥生产的主要原料是磷矿石，我国80%以上的磷矿石资源、70%以上的磷化工生产企业分布在长江流域[3]。2017年长江经济带磷矿石产量占全国的98%以上；2018年，全国近87%的磷肥来自长江经济带，而该区域的磷石膏产生量约占全国的83%，达6 608万t/a，磷石膏利用率仅为39%，每年新增磷石膏超4 000万t。磷石膏产量排在前五位的省份是湖北、云南、贵州、四川和安徽，合计约占全国总量的87.4%。“十三五”期间，我国磷石膏的年产量为8 000万～8 500万t，约占全球总量的40%。磷石膏产量大、综合利用率低、堆存量巨大是我国磷石膏企业面临的严峻现状[4-6]。据统计，目前磷石膏堆场规模已超过3亿t。大量磷石膏堆积在地表，因淋滤、风化等作用，有害物质随雨水溢出，会对周边土地和水体造成严重污染[7-8]。如何安全处置及资源化利用磷石膏，形成规模化效应，是目前亟待解决的难题。

本文调研了近10年来国家出台的磷石膏处置相关政策，随着2018年“无废城市”建设的提出和2020年《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》的制定实施，2021年又密集出台了多项磷石膏等大宗固废处置政策。在充分调研国内外磷石膏研究最新成果的基础上，总结了磷石膏安全处置和综合利用技术，并提出磷石膏资源化利用相关建议，以期为磷石膏高效绿色处置提供参考。

1 政策解读

磷石膏作为工业副产石膏的主要来源之一，也是主要大宗固废之一，备受各级政府的关注，尤其是近年来国家对大宗固废的处理处置与资源化利用的高度重视，出台了一系列相关政策，为磷石膏等大宗固废的处理处置指明了方向。2021年，围绕“十四五”规划国家相关部委出台了多项规划、实施方案和指导性意见。

2011年，工业部发布的《关于工业副产石膏综合利用的指导意见》(简称“《意见》”)指出，脱硫石膏和磷石膏的产生量约占全部工业副产石膏总量的85%。当时的工业副产石膏累计堆存量已超过3亿t，其中70%以上是磷石膏。磷石膏的危害性大，主要原因是大量堆存占用宝贵的土地资源，而其中的有价资源未得到有效利用，造成资源浪费，而且磷石膏中含有酸性及其他有毒有害物质，会对生态环境造成严重污染。《意见》指出，磷石膏经过科学处理，可用于替代天然石膏。开展磷石膏的综合利用研究是解决磷石膏造成的环境污染和安全隐患的治本之策。

“十三五”期间，国务院发布的《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》明确要求大力推动大宗固废和尾矿的综合利用。随后工信部发布了《关于推进化肥行业转型发展的指导意见》，其中提到：磷石膏综合利用技术主要有磷石膏生产水泥缓凝剂及新型石膏建材产品技术、改进型磷石膏制硫酸技术、利用磷石膏和钾长石生产钾硅钙肥技术、硫酸低位热能回收技术等。努力提升磷石膏开发利用水平，到2020年，磷石膏综合利用率从目前的30%提高到50%。

2018年，国务院发布的《“无废城市”建设试点工作方案》明确以磷石膏等为治理重点，在严格控制磷石膏增量的基础上，逐步解决存量问题。推广实施“以用定产”政策，通过产消平衡等措施控制磷石膏总量。彻底调查和整治磷石膏堆存场所，逐步消纳历史堆存总量。

2019年，生态环境部发布的《长江“三磷”专项排查整治行动实施方案》指出，要贯彻习近平总书记对长江经济带“共抓大保护、不搞大开发”的战略部署，解决长江经济带区域部分水环境总磷超标问题，规范管理涉磷企业，从源头消除磷石膏造成的水环境隐患。应长期监测磷石膏库地下水，有效收集渗滤液，安全处理，达标排放，加大对磷石膏堆场的防护以及推进磷石膏的综合利用。

“十四五”发展规划提出了关于磷石膏的综合治理措施和阶段目标，给出了明确的发展规划。《“十四五”原材料工业发展规划》指出，全面推进原材料工业固废综合利用，鼓励在全国范围内实施磷石膏等工业固废“以渣定产”的管理措施。在国家发改委印发的《关于推进大宗固体废弃物综合利用产业集聚发展的通知》和《关于加快推进大宗固体废弃物综合利用示范建设的通知》中提出的目标是：到2025年，建设50个磷石膏等大宗固废综合利用示范基地，大宗固废综合利用率超过75%；用磷石膏取代天然石膏，实现资源化利用；鼓励磷石膏综合利用产业集群发展。

关于磷石膏的资源化利用途径，国家给出了明确的发展方向。2021年3月，国家发改委发布的《关于“十四五”大宗固体废弃物综合利用的指导意见》指出：要拓宽磷石膏综合利用途径，一方面加大磷石膏在生产水泥和新型建筑材料等领域的推广应用力度，另一方面在符合环境要求的前提下，探索磷石膏在土壤改良、路基材料等领域的应用；进一步鼓励磷石膏等大宗固废应用于绿色建材，如制成新型墙体材料、装饰材料等，并将新型墙体材料应用到乡村公共基础设施建设中，支持乡村建设。2021年7月，《“十四五”循环经济发展规划》明确进一步拓宽磷石膏等大宗固废资源化利用渠道，尤其是扩大其在生态修复、绿色建材等应用领域的利用规模，用大宗固废替代原生资源，减少对原生资源的开采利用。2021年12月，工业部印发的《“十四五”工业绿色发展规划》中提出长江经济带中上游地区应加强磷石膏等资源综合利用的规划，大力推动磷石膏在建筑材料生产、基础设施建设等领域的规模化应用。2021年12月，生态环境部等18个部门联合发布的《“十四五”时期“无废城市”建设工作方案》指出，计划到2025年建成100个左右“无废城市”，再次强调推动磷石膏等大宗工业固体废物在提取有价组分，生产绿色建材、筑路、生态修复、土壤治理等领域的规模化利用。

通过解读以上政策可知，磷石膏作为主要大宗固废之一，其处理处置已经引起国家和地方各级政府部门的高度重视，尤其是长江经济带作为磷石膏的主要产生地，加大磷石膏的处理处置力度已刻不容缓，这关系到国家生态文明建设和长江经济带建设的顺利推进。

2 磷石膏综合利用技术进展

我国磷石膏的利用率2010年为20.3%，2018年升至39.7%。我国的磷石膏综合利用尚处于初级阶段，近30%用作水泥缓释剂，25%用于外售或外供，14%用于生产石膏板。调查相关文献发现，目前我国磷石膏资源化利用方向主要体现在6个方面：制备水泥缓凝剂、制备建材石膏、制备粒状硫酸铵、制备硫酸、制备粒状硫酸铵、制备土壤改良材料、制备农业肥料。

2.1 磷石膏制备水泥缓凝剂

天然石膏和脱硫石膏等是制备水泥缓凝剂的主要原材料。随着社会经济的快速发展，水泥产量增长迅猛，石膏的消耗量不断增加，优质石膏矿逐步减少，迫切需要石膏原材料的替代品，这就为磷石膏在水泥缓凝剂方面的应用创造了条件。但是磷石膏中杂质多，石膏纯度较低，严重影响水泥凝结性能，降低水泥强度。因此需要对磷石膏进行除杂处理，通过物理化学方法去除磷石膏中的磷、氟等物质，达标后方可用于制备水泥缓凝剂。目前主要的除杂工艺流程是水洗分离-中和-干燥-煅烧等。提高磷石膏品质、降低磷石膏生产水泥缓凝剂成本是磷石膏制备水泥缓凝剂的关键，这样才能加快磷石膏取代天然石膏和脱硫石膏的进程。胡勇等[9]研究了蒸压改性磷石膏用作水泥缓凝剂，结果发现，蒸压法对于磷、氟杂质的钝化效果优于煅烧法，各项性能指标均能达到天然石膏标准。李辉等[10]用电石渣和粉煤灰对磷石膏进行了改性，并用于配制水泥，确定改性磷石膏的配比为m(磷石膏)∶m(粉煤灰)∶m(电石渣)=65∶30∶5，所制成的水泥缓凝剂性能优于天然石膏，且随着磷石膏掺量的增加，水泥缓凝性能不断提升。磷石膏制备水泥缓凝剂受磷石膏品质的影响很大，甚至会影响水泥的品质，所以一方面需要研究更好的磷石膏制备水泥缓凝剂工艺，另一方面要建立严格的统一标准，规范行业发展。

2.2 磷石膏制备建材石膏

磷石膏的建材资源化利用既能消纳大量磷石膏，又能创造较高的产品附加值，是国家大力推广的磷石膏资源化利用途径。目前磷石膏建材资源化利用的主要方向有磷石膏墙体材料、磷石膏粉体材料和磷石膏模盒等。

磷石膏墙体材料主要产品有石膏板和石膏砖等。周华等[11]分析了纸面磷石膏板与纸面石膏板的性能差异，研究了纸面磷石膏板材料性能，发现其在抗剪强度、最大抗弯承载力、抗弯刚度、弹性模量、延性系数等力学性能方面均优于纸面石膏板。郭小雨等[12]以磷石膏为主要原料制备了磷石膏免烧砖，发现胶凝材料与磷石膏质量比(胶磷比)为1∶1时，磷石膏免烧砖的抗压强度随着成型压力的提高而显著提高，成型压力为10 MPa时，磷石膏免烧砖的抗压强度、软化系数、吸水率及冻融稳定性等随着胶磷比的增大而提高。

磷建筑石膏粉是磷石膏煅烧处理后制得的建材产品，具有较好的胶凝强度，可用于制备石膏基建筑材料。磷石膏粉体材料主要类型包括抹灰石膏、自流平石膏以及石膏腻子等。吴超等[13]采用磷建筑石膏、柠檬酸钠、甲基纤维素及玻化微珠为原料制备了轻质抹灰石膏，并系统分析了外加剂、轻集料对砂浆性能的影响机制，结果表明，采用95%磷建筑石膏、5%玻化微珠并按磷建筑石膏质量外掺1.0%柠檬酸钠、0.2%甲基纤维素配制的砂浆样品性能可达到GB/T 28627—2012《抹灰石膏》中的轻质抹灰石膏性能要求。张振环等[14]以磷石膏为原料制备了高性能自流平材料，材料的物理及力学性能符合JC/T 1023—2021《石膏基自流平砂浆》的要求。唐刚等[15]用磷石膏制成建筑腻子，研究了产品的标准稠度需水量、凝结时间、表干时间、黏结强度和耐碱性等关键性能，结果表明其各项指标均优于国家标准。

石膏模盒是在工厂预制生产的新型石膏建筑材料，以石膏、纤维增强材料等为原料，可制作空腹楼板填充材料，内置填充至现浇混凝土空心楼盖结构中，楼盖会变成“工”字形空腔结构，可显著提高楼盖结构的承载力，大大节省钢材和混凝土，符合国家节能减排政策。据统计，1 m2石膏模盒消耗工业副产石膏80 kg。然而，目前的相关规范还不够完善。刘光成[16]对石膏模盒用于现浇混凝土空心楼盖结构技术在市场推广应用过程中遇到的相关问题进行了探讨，结果显示，石膏模盒的市场认可度有待提高，需要国家出台相关政策和制订行业标准进行激励和规范，进一步鼓励和引导磷石膏建材利用产业的发展。

磷石膏制备建材石膏是一种主要的磷石膏综合利用方式之一，可以消耗大量的磷石膏，但是我国磷石膏品质差异大，污染物较多，需要做好磷石膏的无害化处理，提高磷石膏品质，进而保障建材石膏产品的品质和安全。

2.3 磷石膏制备粒状硫酸铵

为减少磷石膏对环境的污染，解决磷石膏的堆存问题，何兵兵等[17]探索了磷石膏综合利用新途径，研究了磷石膏制备硫酸铵的反应机理与本征动力学速率方程，通过理论研究与实验论证发现，磷石膏制备硫酸铵反应是在磷石膏与碳酸铵的固液界面上进行的，磷石膏和碳酸铵的反应速率随着反应时间的延长而降低，前10 min反应速率最快，之后开始逐渐降低，反应速率常数随着温度的升高而增大。2012年，瓮福(集团)有限责任公司建成了国内首套年产25万t的磷石膏制备粒状硫酸铵装置，工艺流程为：磷石膏在净化-分离后，石膏品质大幅提升，再经浆化与碳酸铵按比例混合后进入反应釜反应，最后再经分离-结晶-干燥后制成硫酸铵成品。磷石膏制备硫酸铵是磷石膏资源化利用的重要方向之一，但是该途径消耗的磷石膏量有限，未来应加大开发绿色环保的磷石膏制备硫酸铵的生产工艺，降低生产能耗和污染物排放，提高产品品质。

2.4 磷石膏制备硫酸

磷石膏遇高温分解，即硫酸钙分解，其中的硫元素可用于生产硫酸，钙元素可用于生产水泥等产品，如此不仅利用了磷石膏中的钙资源，不排放固体废渣，还为磷肥企业提供了生产用的硫酸。其中较为成熟的技术是磷石膏制硫酸联产水泥，目前国内已有多套采用该技术的在线生产装置。一般认为，根据还原剂的不同，磷石膏分解为CaO的温度为 950～1 200 ℃[18]，生产能耗高。为了探索低能耗分解磷石膏制备硫酸工艺技术，并充分利用磷石膏中的钙元素，蒋兴志等[19]在40 ℃低温条件下用双极膜电渗析技术处理磷石膏分解液，制备了硫酸，同时将磷石膏中的钙离子转变为轻质碳酸钙，研究结果表明，磷石膏中硫酸根离子的回收率在80%以上，能耗仅为0.31 kW·h/mol。磷石膏制备硫酸虽然可以充分利用硫元素，但是采用分解的方式能耗较高，需要权衡资源利用和能耗之间的关系，尤其是当前双碳目标的提出，开发能耗低、效率高的磷石膏制备硫酸工艺是今后的研究方向。

2.5 磷石膏制备土壤改良材料

磷石膏中富含植物生长所需的钙、铁、 锌、锰和硅等营养元素，对植物生长有促进作用，不仅可以活化植物酶，改善作物品质，还能增强作物的抗病和抗旱能力，长期使用还可以消减作物连作障碍。磷石膏微溶于水，溶解度约为2.5 g/L，其溶解性比石灰好，可以长时间持续释放离子，维持土壤溶液的离子浓度，为植物生长补充必需的离子。土壤中施用磷石膏与氨水、碳酸氢铵等氮肥反应，能显著提升土壤的固氮、保氮能力；磷石膏与尿素反应，可制成长效氮肥，其氮素释放速度仅为单一尿素的50%，提高了肥效，降低了用量。磷石膏是一种性能优异的土壤改良材料，还可用于盐碱地治理和酸性土壤治理。盐碱地改良的根本方法是将Na+从土壤胶体中置换出来，磷石膏主要成分是CaSO4，其与CO32-、HCO3-反应生成CaCO3、Ca(HCO3)2的过程能够降低土壤pH，从而减少碱性环境对作物的伤害[20-24]。展争艳等[25]研究了磷石膏改良盐碱地的技术和原理，并将该技术应用于甘肃引黄灌区重度盐碱地改良，取得了较好的治理效果：不同的磷石膏施用量，均能得到较好的降低土壤碱性和盐分的效果；随着磷石膏用量的增加，盐碱改良效果不断提高，当磷石膏用量为12.0 t/hm2、土壤调理剂用量为1.5 t/hm2时，盐碱地改良效果最佳，作物产量提升最大，增产率超过18%。磷石膏还可以改良酸性土壤，效果优于石灰。磷石膏改良酸性土壤的原理是磷石膏中的钙离子交换了土壤中的铝离子，降低了土壤溶液中的铝离子浓度。施用磷石膏还可以有效改善土壤的物理性状[26-27]。舒艺周[28]采用磷石膏和生物质炭联合改良云南红壤理化性质，抑制土壤酸化；磷石膏和生物质炭协同作用，治理效果显著提高，土壤的物理化学性质得到有效改善，具体表现在土壤孔隙增加、密度减小、透气透水性提高，而且土壤中碳、氮、磷、硫等营养成分增加，适合植物快速生长。磷石膏制备土壤改良材料的应用前景广阔，但是要做好磷石膏无害化处理，消除其对环境的二次污染。

2.6 磷石膏制备农业肥料

磷石膏中含有磷、镁、钙、铁、锌和锰等农作物生长必需的元素，对农作物生长具有促进作用，可作为中微量元素肥的原料[29]。磷石膏肥用作农业肥料，对提高农作物产量和品质均有较好的作用。EFREMOVA等[30]通过合理的中和磷石膏施用方法，与矿肥配施，可提高土壤肥力、降低土壤酸度，进而提高农产品质量。MARIA等[31]在水稻作物中定期使用中和磷石膏的研究中得到了相似的结论。为了进一步提高磷石膏肥的农业应用效果，谷林静等[32]将菌根技术应用于增强磷石膏的农用效果，取得了较好的强化效应。磷石膏农用还有助于减少农作物生长中的碳排放。WU等[33]研究了小麦种植过程中施用磷石膏废渣对减少温室气体排放的作用，发现磷石膏可以同时实现减少农业温室气体排放、刺激作物生长和保护环境的目的。李季等[34-35]通过在麦田施用磷石膏废渣，研究了其对小麦生长中N2O和CO2排放的影响，结果表明，磷石膏作为减排剂施用，不仅可以减少环境污染，还能促进小麦生长，减少N2O和CO2的排放，这对发展生态农业并缓解温室效应具有重要的应用价值。 磷石膏用于农田肥料效果好，成本低廉，但需要重点关注磷石膏中的重金属等有害成分，确保不会对农作物造成污染，进而进入食物链，对人体健康构成威胁。

3 建议

从政策、管理和技术等3个层面分别提出了磷石膏资源化利用建议。

1)政策层面

磷石膏综合利用的关键在于国家政策的支持力度，要通过财政、税收、能源等政策的扶持使企业在磷石膏综合利用中能够盈利或基本保本。建议加大对磷石膏综合利用相关产业和企业的支持力度，促进磷石膏综合利用快速形成规模发展。

2)管理层面

a.采取磷石膏分级管理和利用，一方面扩大磷石膏在生产水泥和新型绿色建材等领域的利用规模，另一方面在符合环境治理产品要求的情况下，拓宽磷石膏在土壤改良等环境治理领域的应用；

b.磷石膏的历史存量较大，在做好磷石膏治理的同时加大对磷石膏堆场的防护，做好磷石膏堆场安全加固和防渗处理及磷石膏渗滤液的科学治理，减少磷石膏堆场对周围环境的污染。

3)技术层面

a.磷石膏综合利用最大的问题是杂质多、石膏品质低，影响磷石膏资源化产品性能，所以必须从磷石膏排放企业抓起；一方面磷肥生产企业要根据磷矿质量，采用合适的生产工艺，另一方面要加强生产全流程管理，降低磷石膏排放量和杂质含量，尤其是降低有毒有害物质含量，提升磷石膏品质。

b.拓宽磷石膏利用途径，对于磷石膏利用规模大、效果好的资源化利用途径要加大推广力度，如土壤改良，充分利用磷石膏中的有价成分，治理脆弱土壤，修复生态环境，形成规模效应，实现经济、环境效益双丰收。

4 结论

磷石膏问题在我国主要出现在长江流域，对区域环境造成了严重危害。针对磷石膏的处理处置，国家近年来出台了多项政策和指导性文件，明确了目标和应用途径，力争到2025年，磷石膏的综合利用率达到75%。

我国目前形成了以工业用磷石膏制备水泥、制备建材石膏、制备磷酸铵、制备硫酸，以及以农业用磷石膏制备土壤改良材料和制备农业肥料为主的磷石膏综合利用方式，其中磷石膏工业应用相对成熟，且应用量较大，磷石膏农用发展前景较好。