农村生活污水磷回收及资源化利用路径探讨

在循环经济及“双碳”目标的双重驱动下，将污水中磷回收并资源化利用，对于缓解农村污水处理压力、降低水体黑臭风险、提升水环境质量具有现实意义。本文结合农村生活污水中磷形态特征，基于现有磷回收技术原理等，分析农村生活污水中磷资源化利用的可行路径，为农村生活污水资源化提供新思路和新模式。

一、农村生活污水中的磷来源及形态

农村生活污水由黑水和灰水组成，其中灰水包括洗衣、洗手、淋浴以及厨房用水等低浓度生活污水，占生活污水总量的65%-75%。黑水主要为尿液、粪便等厕所污水，含有高浓度有机物、氮和磷等营养物质，黑水贡献近80%的磷，TP含量在 20-60 mg/L，是农村生活污水中磷的重要来源。

污水中可溶性磷能够被植物直接吸收利用，可溶性无机磷酸盐（DIP）是主要组成部分，包含正磷酸盐、次磷酸盐等。许多研究表明，PO₄^3--P是农村污水中磷的主要存在形态，为磷资源回收利用提供了先决条件。

二、现阶段磷回收技术

现阶段磷回收技术主要包括吸附法、结晶法以及培养有经济价值的微藻等。为进一步提升磷回收率及产物纯度，有学者采用电化学、膜技术与吸附、结晶工艺耦合，将磷富集后进行资源化利用。整体来说，对于磷回收技术、工艺原理的研究已经相当成熟，但是将其应用于农村生活污水磷资源化利用还需进一步开展适用性及可行性分析。

三、农村生活污水磷资源化利用路径

1.吸附回收

（1）.吸附材料选择

吸附法是利用材料本身的孔吸附、静电吸附和离子交换作用对水体中的磷进行吸附富集。主要的吸附剂有天然材料、工业废渣、生物炭等。天然材料主要包括沸石、蛭石等，拥有耐酸碱、耐高温等特性。

（2）.磷回收效果

未经改性生物炭磷吸附量较低，常对生物炭进行改性以提高吸附性能，如负载金属氧化物、金属盐类、物理改性、磁化改性、酸碱改性等。金属改性如负载Fe、Mg、Al、La等，改性后生物炭磷吸附量提升约4-15倍。经高温煅烧等物理改性的生物炭，体积小，质地轻，通过负载Fe₃O₄和Al₂O₃制备磁性生物炭可改善难分离问题。为降低原料成本，学者们尝试采用 MgCl₂、CaCl₂、AlCl₃和 FeCl₃对热解的市政污泥生物炭进行改性，吸附饱和后可作磷肥使用。

3.资源化实施路径

结合不同生物炭吸附条件，与现有污水处理工艺耦合进行磷资源回收。对于在碱性条件下吸附性能较好的生物炭可与人工湿地、生物接触氧化以及AAO处理工艺相结合，而酸性条件下进行吸附的生物炭可与化粪池、厌氧滤池、水解酸化池等结合，最大限度发挥生物炭的磷吸附能力。

在处理农村生活污水过程中，废弃农作物可作为生物炭原料用于不同污水处理工艺，吸附饱和的生物炭可作为缓释肥用于农作物培养或土壤改良，以此形成磷循环过程，具体实施路径如下图所示。

2.MAP结晶

（）1.磷回收效果

碱性环境下，溶液中的镁离子、铵离子和磷酸盐会通过化学势能聚集形成晶核，并生长为MAP结晶。MAP结晶受温度、pH、镁浓度、碱浓度、磷浓度以及共存离子浓度等因素影响，磷回收率在20.4%-99.9%之间。

（2）.资源化实施路径

MAP结晶法需要污水中磷浓度大于50 mg/L才具有经济效益。依据MAP结晶所需条件和影响因素，将污水源分离系统中尿液或农村生活污水与高磷浓度的畜禽粪便协同处理可提供所需磷源，同时充分利用农村粉煤灰、秸秆灰等废弃物替代镁源、碱源，降低回收成本。
3.微藻培养综合利用

（1）.磷回收效果

微藻通过呼吸作用释放氧气，为污水中微生物降解污染物提供电子受体，而微生物利用水中有机物释放出促进微藻生长的物质，如无机碳、氮和磷酸盐等，由此形成生物代谢循环。培育微藻需控制光照、温期为12 h最佳，适宜pH在5.5-11.5之间，最佳温度为15.0-37.5℃。当利用生活污水培养小球藻和蛋白核小球藻，15d时磷回收率可达79.7%和67.6%。

（2）.资源化实施路径

由于农业灌溉、历史习俗等原因，农村有修建水塘的传统，利用现有水塘进行微藻培养，与微生物形成复杂的共生系统，促进污水净化的同时，实现磷资源化利用。在实际应用中，磷是微藻用于合成ATP、核酸等的关键物质，微藻正常生长磷浓度不能低于1.65 mg/L，为避免过量繁殖与资源浪费，可选用磷浓度在50 mg/L以下的污水培养微藻。
4.污水处理后灌溉回用

（1）.灌溉水质要求

农村生活污水以有机物、氮、磷营养物质为主，可生化性强，污水中溶解性磷酸盐可直接被农作物吸收利用，减少化肥使用量。但农村生活污水中含有病原体等有害成分，直接灌溉使用会对人群健康造成不利影响，因此，在《农田灌溉水质标准》（GB 5084—2021）中规定了不同农作物灌溉水中粪大肠菌群数和蛔虫卵数限制，表明灌溉用水对病原体指标有明确要求。

（2）.污水无害化处理

污水病原体灭活主要包括酸化灭活、生物炭吸附、过滤截留等方式。有研究发现大多数病原体最佳生存环境接近中性（pH值约5.0-8.0），而酸性环境下粪大肠杆菌等病原体难以生长，pH为3.0-3.5时病原体则无法存活。

生活污水通过微曝气或者添加发酵物的方式调控污水酸碱度，可实现病原体的有效去除。微曝气处理污水会加速产生乳酸、羧酸、脂肪酸、乙酸、丙酸等小分子酸性物质，降低污水pH，使粪大肠杆菌等病原体失去活性。

（3）资源化实施路径

农村生活污水可采用黑灰水分离方式进行收集，通过生态处理方式处理灰水，化粪池或沼气池处理黑水，充分利用农户房前屋后“小花园”“小菜园”“小果园”就地就近资源化利用，也可集中收集后进行大面积农田灌溉。为提高污水灌溉的安全性，建议增加化粪池或沼气池体积，将黑水水解酸化时间延长至45d以上，可使污水中病原体有效灭活，降低病原体去除成本。经病原体灭活处理的污水，对环境污染风险较低，用于农田灌溉可增加作物产量，减少肥料使用，节约水资源。