磷回收 - 利用 ICP-OES 对污水污泥进行可靠分析
2022.08.03
磷回收 - 利用 ICP-OES 对污水污泥进行可靠分析
磷和磷化合物是地球上所有生命的必需品。因此，它们是肥料和动物饲料的重要基础。随着世界人口的增长，全球粮食需求不断增加，这就是为什么天然磷储备面临枯竭的危险。此外，磷酸盐矿藏仅限于全球少数地区。从污水污泥中回收磷是磷矿开采的一种高效替代方法。据欧洲环境署 2021 年估计，从目前未使用的 50% 的污水污泥中回收磷，可替代目前农田使用的 10% 的磷肥(1)。不过，污水污泥中也含有重金属等污染物。精确的分析方法对于确定污水污泥的回收潜力至关重要，并有助于向可持续循环经济迈进。
在过去几十年中，将未经处理的污水污泥直接用作农田肥料的做法越来越少，一些国家几年内将禁止这种做法。污水污泥中含有的污染物和重金属，如镉、铅、汞甚至砷，限制了直接使用。为了利用污水污泥中宝贵的营养物质，欧盟已决定在全欧盟范围内实施污泥回收战略。目前，城市污水处理厂只有 20% 的污泥得到回收利用。原因通常是污泥中的污染物含量较高，因此污泥和灰烬通常被填埋或用作二次燃料。
法律状况
为了改变这种状况，欧盟委员会已将磷列入 "欧盟关键原材料清单"(2)。自 2017 年起，德国已依法决定对污水污泥进行磷回收处理。德国《污水污泥条例》（GSSO-AbfKlärV(3)）要求污水处理厂运营商根据其市政排放区域的大小，从 2029 年起逐步实施污水污泥或其焚烧灰中的磷回收。
GSSO 的法律要求规定，如果污水污泥每公斤干物质的含磷量达到或超过 20 克，则必须进行磷回收。不过，从经济角度来看，如果磷的含量较低，回收也是有利可图的。污水污泥通常还含有钠或钾等其他有价值的元素，而且磷肥的需求量还将继续增加。在任何情况下，工厂运营商都需要一个可靠的数据基础，以评估污泥中含有的有价元素和污染物的回收潜力。
合适的分析方法
分析污水污泥的一个主要挑战是样本中基质含量极高。这意味着它们含有多种不同浓度的元素以及大量盐类化合物。理想情况下，不同元素的含量--肥料的基本物质和关键元素--可在每个样品的一个测量周期内测定，而无需耗时的样品制备。
电感耦合等离子体光发射光谱法（ICP-OES）是可靠、常规测定污水污泥中主要和次要微量元素的理想方法。ICP-OES 具有多元素分析能力、宽广的线性动态范围和测量灵敏度，因此特别具有吸引力。EPA 方法 3050B(4)和 6010C(5)、DIN EN 16174:2012-11(6)和 ISO 标准 11885:2007(7)等标准对样品制备和测量程序进行了说明。
使用 ICP-OES 时，样品在温度为 5,000 至 10,000 K 的氩等离子体上雾化，然后离子化。发射的电磁辐射由光谱仪测量。测量值揭示了元素含量的详细信息。
正确的分析仪器
通过PlasmaQuant 9100 系列，耶拿分析公司提供的光学发射光谱仪涵盖了多元素分析的广泛工作范围。它们能提供精确的结果，而且工作经济。其测量灵敏度高，尤其适用于镉、汞和碲等关键元素，因为这些元素在环境中的引入受到严格管制。
PlasmaQuant 9100 的一个突出特点是其非常稳定的等离子体。这确保了即使在高通量条件下，也能长期稳定地测量富含基质的样品。使用 PlasmaQuant 9100 进行测量时，只需极少的样品制备工作。DualView-Plus 功能扩展了线性动态范围，并简化了多元素分析，可在一次测量中使用不同的等离子观察模式进行全元素筛选。因此，分析过程变得更快、更可靠、更经济。
益处
污水污泥的多元素分析为污水处理厂的运营者提供了可靠的数据，帮助他们决定如何按照法律和标准处理污水污泥。根据磷含量和污染物负荷的不同，他们可以选择既经济又合适的方法。
这里举两个例子：如果磷含量高，重金属负荷低，则适合采用热解法。污水污泥在 600 °C 的小型热解反应器中进行处理，该反应器可直接在污水处理厂运行。磷可以从焚烧灰烬中回收。如果重金属含量较高，可采用热化学方法：在 900 °C 的温度下，向污水污泥中加入氯化镁或盐酸，以沉淀磷。
通过磷和其他基本元素的循环利用，可以就地或分散回收宝贵的肥料原料。这不仅有利于保护生态环境，而且还有助于从为数不多的天然磷矿中独立出来。对污染物负荷的精确了解可以防止重金属和其他污染物进入环境。因此，从污水污泥中回收磷是实现更可持续的循环经济的重要一步。
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资料来源
(2)https://eur-lex.europa.eu/legal-content/DE/TXT/PDF/?uri=CELEX:52020DC0474
(3)Verordnung über die Verwertung von Klärschlamm, Klärschlammgemisch und Klärschlammkompost,https://www.gesetze-im-internet.de/abfkl_rv_2017/
(4)EPA Method 3050B: Acid Digestion of Sediments, Sludges, and Soils,https://www.epa.gov/esam/epa-method-3050b-acid-digestion-sediments-sludges-and-soils
(5)EPA Method 6010C: Inductively Coupled Plasma - Atomic Emission Spectrometry,https://19january2017snapshot.epa.gov/homeland-security-research/epa-method-6010c-sw-846-inductively-coupled-plasma-atomic-emission_.html
(6)Schlamm, behandelter Bioabfall und Boden - Aufschluss von mit Königswasser löslichen Anteilen von Elementen,https://www.beuth.de/de/norm/din-en-16174/148093733
(7)Water quality - Determination of selected elements by inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP-OES),https://www.iso.org/standard/36250.html
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