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磷是人類賴以生存不可缺或的營養(yǎng)物之一, 主要貯存在地殼之中(磷礦), 是一種難以再生的非金屬礦產資源(Dijk et al., 2016).磷在地球上以“陸地→海洋”直線形式流動(郝曉地等, 2011), 從磷礦開采后主要(>80%)用于磷肥生產;大部分(通常>50%)未被作物吸收的磷因雨水沖刷會形成地表徑流, 食物中未被人和動物吸收的磷則隨排泄物進入地表水體(無污水處理情況下);磷*后隨“條條江河通大?！钡淖匀灰?guī)律進入海洋.除海鳥在陸地排泄糞便以及人類海洋捕撈海產品外, 流入海洋中的磷在人類可目擊到的地質演變期內很難再回歸陸地.因此, 磷和煤、石油等一樣都屬于不可再生的寶貴自然資源。
磷礦藏在地球上分布極不均勻、儲量十分有限.雖然地球磷礦基礎儲量為680×108 t (以P2O5計), 但經濟儲量僅有1/3, 約220×108 t(Jasinski, 2017).隨著人口增長以及人類生活水平不斷提高, 社會對磷的需求越來越高.國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示, 2015年我國磷肥產量已達970×104 t·a-1(P2O5)(國家統(tǒng)計局, 2015), 且每年增加量為50×104 t·a-1.以此增長速度, 我國到2030年時對磷肥使用量將會超過2000×104 t·a-1.再加上磷礦石無限制的出口, 我國未來磷資源消耗量十分驚人.2015年統(tǒng)計數(shù)字表明, 我國磷礦基礎儲量為31×108 t(P2O5)a.盡管新近(2017年7月)在貴州開陽又發(fā)現(xiàn)了超大優(yōu)質(**不經選礦即可直接用于生產高濃度磷復合肥)磷礦2.7×108 t(P2O5)a, 但我國高品位磷礦儲量總體上很低, P2O5含量≥30%的富磷礦資源儲量只有16.6×108 t(P2O5), 僅為基礎儲量的一半.若按照目前“采富棄貧”的開采模式進行開采磷礦, 20年后, 我國磷礦石儲量將開采殆盡a, “磷危機”現(xiàn)象隨之而來。
因此, 我國急需考慮并實施磷回收戰(zhàn)略.縱觀磷流失、排放的整個路徑, 對磷進行有效截流/回收的*佳節(jié)點主要集中在磷排放的源頭和末端.源頭磷回收有糞尿返田及源分離技術(郝曉地, 2006; 郝曉地等, 2016);末端磷回收指的是從污水處理過程中回收磷(全球每年約有1.3 Mt·a-1(以P計)經污水處理廠處理)(Wilfert et al., 2015), 以集中式為主流的現(xiàn)代污水處理技術可以實現(xiàn)在污水處理的同時對磷的截留、分離與回收.在實施磷回收工程方面雖然技術顯得重要, 但國家宏觀政策和經濟補貼措施等亦不可小覷(郝曉地等, 2017)。
有關磷回收產物研究與應用, 目前國際上趨之若鶩的是鳥糞石(MAP, MgNH4PO4·6H2O)及其它磷酸鹽化合物(郝曉地等, 2011).然而, 純鳥糞石回收需要苛刻的反應條件、且難以直接施用, 為此而受到學界實驗質疑(Hao et al., 2013).*新研究發(fā)現(xiàn), 出現(xiàn)在深水湖泊底部和海洋沉積物中的藍鐵礦(Vivianite, Fe3(PO4)2·8H2O)是一種非常穩(wěn)定的磷鐵化合物(Ksp = 10-36), 單位質量P的經濟價值不菲.藍鐵礦除了能作為磷肥生產原料以外, 亦可以作為鋰電池合成原料(楊艷飛, 2012);大顆粒高純度藍鐵礦晶體本身還具有較高的收藏價值。
污水中除了含有較多的磷, 也因地質或水處理(使用鐵混凝劑)原因而常常含有較多的鐵(Wilfert et al., 2015).這就使人聯(lián)想到, 在污水、污泥處理過程中是否可以形成藍鐵礦物質?已有研究發(fā)現(xiàn), 在剩余污泥中確實發(fā)現(xiàn)了藍鐵礦物質的存在(Wilfert et al., 2015).這就為磷回收又打開一扇吸引眼球的窗戶.因此, 有必要在研究發(fā)現(xiàn)的基礎上對藍鐵礦的物理化學性質、生成環(huán)境、以及影響因素進行歸納, 以推動這一磷回收新目標產物的基礎應用研究。
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