创新除磷技术

几十年来，由人类活动过量的营养物质负荷引起的水体富营养化已被公认为主要的水质问题之一(1,2)。世界资源研究所已经确定了世界上415个缺氧沿海区。淡水资源的情况更加令人担忧，亚洲54%的湖泊、欧洲53%的湖泊、北美48%的湖泊、南美41%的湖泊和非洲30%的湖泊被确定为富营养化(3)。

虽然某些环境受氮水平变化的影响更大，但仅添加1克磷就能促进高达100克的藻类生长，因此是富营养化和有毒蓝绿色藻类大量繁殖的主要触发因素。

藻类繁殖的影响

这些水华会降低水中的氧气水平，导致鱼类死亡和生物多样性减少。它们还会产生难闻的气味和味道，降低水的娱乐吸引力或作为水源的潜力。一些物种甚至被发现会释放对动物和人类有毒的化学物质。

磷污染的来源

鉴于全球富营养化的严重程度，世界各地都在寻求减少城市、农业、工业、城市和农村点源和非点源磷负荷的解决方案。点源污染是可以定义和控制的，而非点源(弥漫性)污染则来自各种径流源，因此，控制这类污染更加复杂，需要综合考虑技术、社会经济和教育因素。

除磷方法

在过去的几年里，已经出现了从废水和雨水径流中去除磷的方法。然而，目前政府对磷排放限制法规的缺乏，加上环境技术验证(ETV)项目的极高成本，对除磷技术的应用造成了不可逾越的障碍。

现行规管架构

尽管全世界都认识到减磷的必要性(2-5)，但目前用于衰减这类污染的监管框架非常有限。磷排放标准仅在少数发达国家为城市污水处理设施(MWTF)制定。此外，目前MWWTF中使用的除磷方法(化学或生物)非常复杂，极其昂贵，消耗大量能源，并产生大量污泥，然后必须适当处理(5)。

其他点和非点污染源(农业、工业或住宅现场废水处理系统(化粪池系统))的磷排放标准不包括在当前的污水法规中。鉴于人口、牲畜和粮食生产的指数增长，这种情况极为令人震惊。例如，发达国家30-40%的人口依赖化粪池和排水场组成的化粪池系统。一百年前，土壤排水场被认为是磷的天然吸附材料。然而，任何吸附材料的留磷能力都是有限的，一旦达到这个能力，就需要更换材料。这种情况在发展中国家更加令人不安，在这些国家，城市周边定居点没有得到地方和国家政府的批准。因此，第三世界城市的许多河流被用作大型露天下水道。

监管框架的缺乏大大减少了对除磷技术科学进步的资助和期望。尽管人们对可用于现场废水处理系统的磷吸附材料的研究兴趣日益浓厚，但该研究主要在大学实验室中进行，而现场测试和应用仍然仅限于瑞典和美国的极少数科学家的努力(6)。

从创新到应用之路

任何环境技术应用的最大障碍是目前的成本和联邦环境技术验证(ETV)计划所需的时间。以美国为例，每份申请的费用在120-14万美元之间，持续24-36个月。这意味着像PhosphoReduc这样的小型企业必须投资至少36万美元才能获得三种废水(如市政、住宅和农业废水处理)的ETV认证。

个人州许可证在审查过程中不需要这么大的财务投资，但这个过程也非常漫长，从申请之日起持续24-30个月。此外，由于磷排放限制目前在监管框架中不存在，大多数水务政府机构要么拒绝申请，要么需要密集的许可程序，包括两种不同的许可类型:一种是对水过滤材料的有益使用，另一种是对技术的一般使用。这两个许可程序都需要经过认证的实验室进行密集的水质监测，因此至少需要85-10万美元的投资。如果没有认证，就不可能实施系统并改善水质。

磷酸还原创新技术

背景

我在20多年的职业生涯中致力于研究和开发可持续的磷污染防治技术。上世纪90年代初，在英国爱丁堡大学进行博士研究期间，我率先研究了各种铁、铝和钙基材料的天然和工业副产品，这些材料可用于现场处理系统中的磷吸附材料。

作为佛蒙特大学的研究教授和大学人工湿地研究中心(CWRC)的主任，我和我的研究团队开发了几套可持续废水处理技术，包括:

1. 综合(多级)人工湿地和除磷过滤系统
2. 除磷和固磷“PRS-101”过滤器用于农业、城市和住宅废水(点源)的处理
3. 简单的“鱼雷”过滤系统，用于农业瓷砖排水和城市雨水排放(用于捕获和处理来自非点状扩散污染源的磷和固体污染(图1)。

这些处理技术不仅能有效去除磷，还能有效减少其他污染物，包括氮、有机物和悬浮物、病原体以及各种金属和矿物质。此外，我们还表明，一旦过滤系统的使用寿命完成，过滤材料保留的磷可以重复使用，而不是化学肥料，以改善用于农业、园艺和林业的土壤。

2008年，我向佛蒙特大学农业与生命科学学院和技术转移办公室(UVM TTO)申请了农业创新基金。我获得了种子启动资金，使我能够建立我的企业PhosphoReduc LLC (www.phosphoreduc.com)。种子基金还为专利申请提供了必要的资金。目前，我们的两项技术正在申请专利，一项是点源除磷技术，另一项是农业和城市排水系统除磷技术。

我们的过滤系统是被动系统，由一个或多个过滤单元组成，其中充满铁(Fe)和/或钙(Ca)基过滤材料，改性钢渣，钢铁工业的可回收副产品。根据PhopshoReduc LLC开发的方法，过滤介质在专门设计的模块中相互包装、排列和啮合，从而形成模块化复合过滤器。

应用程序

迄今为止，我们已经证明，通过在4个大洲的各种气候地区实施的系统，磷酸还原过滤系统减少了来自污水、农业和城市点和非点污染源的磷、悬浮物和病原体(大肠杆菌)负荷70 - 100%。

磷酸还原应用的例子包括:

1.农业径流处理:

• 一个简单的装弹系统减少磷和固体从农用瓦排水系统在佛蒙特州收集30英亩的水，平均分别减少了72%和75%(图1)。目前，没有农业实践旨在减少农业瓷砖排水渠的磷负荷。我们发现，在10次春季暴雨事件中，在6个不同的农业排水中测量的磷浓度超过了初始富营养化的临界0.1-0.2 mg/L磷浓度。
• 饲料层(青贮渗滤液)径流处理它被认为是农场中毒性最强的污水流之一。目前，植物处理区(实践代码635)是美国自然资源保护署(NRCS)推荐的主要“最佳管理实践”，并在美国农场广泛应用于处理青贮渗滤液径流(7)。虽然它不能实现超过20%的减磷效率，但目前实施这一实践的成本约为每英亩15,220美元。我们的研究团队进行了2年的调查，结果表明，实施由磷还原过滤器和营养沟槽组成的创新“处理方案”可以实现高达90%的磷还原，而成本仅为目前推荐的635实践的一半(8)。

2.城市雨水处理

• 在俄亥俄州哥伦布市安装的磷还原过滤器用于处理高尔夫球场的雨水池，达到了平均85%的减少效率。2012年计划进行几次后续安装。

3.污水处理

• 磷还原过滤器已在台湾南部应用，以测试系统处理来自大学学生宿舍的污水的效能。在10个月的调查中，该系统显示溶解磷和总磷以及悬浮物减少了近100%(9)。
• 继台湾成功进行处理后，目前计划安装两个过滤器，以减少巴西维多利亚州图巴拉奥泻湖富营养化的混合污水和城市径流污水所产生的磷负荷。

创新除磷技术的未来

尽管存在上述所有障碍，在过去的两年里，磷化还原技术开始在美国和国际上的政府机构中引起兴趣。我们在五大洲(欧洲、北美、南美、亚洲、新西兰)的40多个实验室、试点、示范和全面项目中为预防富营养化和改善水质做出了贡献。在瑞典，Gunno Renman教授开发了以钋为基础的住宅化粪池除磷系统。然而，polonite过滤材料是由仅在波兰发现的天然富钙材料制成的，这限制了系统在这两个国家以外的应用。

在未来任何除磷技术的研究和发展中，我们应该记住这样一个事实:作为肥料的关键成分，磷是世界粮食供应的基础，也是生命中不可替代的基本元素，其唯一来源是含磷岩石(10-11)。

磷资源是不可再生的，全球储量估计将在未来50-100年内达到峰值(10)。据报道，目前磷酸盐的提取速度为每年1.67亿吨，需求不断增长，每年增长2%。随着全球磷酸盐储量的持续下降，其影响可能是巨大的，特别是在粮食价格上涨、粮食不安全加剧以及发达国家和发展中国家之间不平等扩大方面(10-11)。

因此，我们不仅要继续研究、开发和实施除磷技术，而且要发明磷作为农业、林业、酸性矿山复垦和园艺土壤改良剂再利用的方法。瑞典是世界上第一个规定到2016年回收城市污水处理废水中磷的国家。它使Renman教授和我开始开发从我们的除磷处理系统中回收磷的过程。

参考文献

1. 赖瑟，J.H.和邓斯坦，W. M.(1971)。沿海海洋环境中氮、磷与富营养化。科学杂志171:1008-1013。
2. Conley, d.j.， Paerl, h.w.， Howarth, r.w.， Boesch, d.f.， Seitzinger, s.p.， Havens, k.e.， Lancelot, C. and Likens, G.E.(2009)。控制富营养化:氮和磷。科学323:1014-1015。
3. 世界资源研究所(2012)。富营养化与缺氧:沿海水域营养物污染。url:http://www.wri.org/project/eutrophication
4. 美国环保局(2012)。水:污染防治。
5. 蒋芳，贝克，M.B，卡明斯，R.G，罗尔斯，K.和罗素，D.(2005)。废水处理设施除磷成本估算:现有设施的改造。水政策工作文件#2005-011。
6. 韦斯特霍姆，约翰逊，L.，德里佐，A.和雷恩曼，G.(2011)。高炉、电弧炉钢渣在水污染治理中的应用。铁渣-资源开发，环境可持续发展的世界。EUROSLAG第5期。103 - 11页。
7. 美国农业部NRCS(2008)。植物治疗领域实践635。美国农业部自然资源保护服务规范635。url:http://www.nrcs.usda.gov/Internet/FSE_DOCUMENTS/nrcs143_026548.pdf
8. (2011)。磷和大肠杆菌通过创新磷还原过滤从青贮渗滤液中还原。保护创新资助计划最终报告，2011年12月提交。佛蒙特大学资助协议编号：69 - 3 - a75 9 - 121。
9. AUTM，大学技术经理协会(2011)。学术过滤创新旨在解决易腐资源:水的问题。发表于2011年版《更美好世界报告》。回应，恢复，重组:技术帮助世界面对逆境，第78-83页。
10. 《经纪人》(2009)。磷峰值——下一个难以忽视的真相。The Broker于2009年8月15日上线。url:http://globalpnetwork.net/resource/peak-phosphorus-next-inconvenient-truth
11. Yoshida, H.， van Dijk, K.， Drizo, A.， Vanginkel, S.， Matsubae, K.和Buehrer, M.(2011)。第六章:磷的回收利用。收录:戴克，K.和吉田，H.(编)。磷，食物和我们的未来。生命科学前沿。在审查。