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我国湿法磷酸生产与磷肥施用对环境污染的研究

  发布时间:2016-03-08 点击次数:505次
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       我国粮食增产中化肥的贡献率占40%,磷肥是保障粮食增产的重要肥源。目前,工业生产磷肥国内外几乎均采用由硫酸湿浸磷矿石生产磷酸、再经氨化制成磷肥的工艺。然而,湿法磷酸和磷肥的生产与施用造成了严重的环境污染,其危害范围之广、程度之深令人触目惊心。在现有磷肥产能严重过剩的情况下,我国必须投入资金与实力,大力研发用以替代湿法磷酸的新工艺。
 
        传统湿法制磷肥工艺存在一些固有的缺陷,主要是固体废弃物磷石膏对土地与水源会造成严重污染,其次是所产磷肥重金属含量高,磷肥质量差,又由于磷肥利用率很低,持续不断地大量使用磷肥,使重金属有害积累,造成农田质量下降、产量降低、作物污染,最终毒害人体健康。磷石膏与重金属污染是湿法工艺带来的世界性难题。
 
        我国磷肥生产与出口大国,现有磷肥产能已达2100万吨,2011年磷肥产量1641万吨(折P2O5),自用1200万吨。然而,即使到2020年我国磷肥的需求量也不过1300万吨,产能出现了严重过剩。同时,我国也为此付出了高昂的环境代价。湿法制磷酸产生的固体废弃物磷石膏对我国土地与水源已造成严重污染,湿法磷肥则成为土地重要污染源之一。《中国化工报》在2012年曾多次刊登记者的调查报告和专家访谈,可见这一难题引发社会反映的强烈程度。恢复已遭磷石膏污染的大型湖库,例如贵州乌江渡水库的水质是一件工程浩大、需巨额投资的环保项目。乌江渡水库恢复其水质达到Ⅱ类,估计需资金不少于1000亿。生产企业20年上缴的利税还不到所需环境修复费用的几十分之一。
 
        值得注意的是,英国、荷兰等国因无法解决磷石膏污染问题,已完全放弃自行生产而转为从国外进口磷肥。我国的一些企业却每年多生产数百万吨磷肥以供出口,根本不计给子孙后代将带来的环境恶果。这种状况必须予以制止。
 
        笔者以贵州省乌江渡大型水库污染为重点,取用水库水、磷石膏、磷肥等做试样进行了化验和分析,用以探讨和评价湿法磷酸与磷肥对乌江渡水库总磷(TP)与重金属的污染。
 
        磷石膏对水源与土地的污染
 
        据统计,我国磷肥企业每生产1吨磷酸伴生5吨磷石膏,多为露天堆放处理,日积月累后形成了大面积的灰白色的磷石膏原野和磷石膏山。磷石膏确有变废为宝的综合利用价值,但在我国现实利用率仅为20%。在既往露天堆积的数以亿吨计的磷石膏基础上,每年还新增约5000万吨磷石膏,形成庞大的废弃物堆积体,已形成公害。
 
        化验表明,磷石膏中含有数量可观的磷、氟、各种盐类以及重金属,造成堆积地及其附近区域严重的水土污染;堆放的磷石膏经雨水浸淋稀释,再经地面溪流与地下水排入江河湖库,造成总磷(TP)与重金属污染。这种情况在我国喀斯特“强生态脆弱区”的云南、贵州两省,已经达到灾害的程度,治理难度很大。昆明的滇池近10年投入约150亿元资金治理TP污染,但成效甚微;2011年水质报告表明仍为劣Ⅴ类。从乌江渡水库起贵州的乌江中、下游全长710km干流均遭到TP的严重污染,其程度远比滇池为重。
 
        乌江渡水库及其下游的构皮滩、思林、沙沱等水库的出口水质近些年均为劣Ⅴ类。乌江干流每年百亿余吨的废水排入长江,使2012年长江废水排量达到339亿吨。长江水资源不仅供沿江流域内使用,还将“南水北调”跨流域进入中国北方,因而乌江干流污染影响具有全局性质。
 
        长江水系污染和流域内水质性缺水的情况已相当严重。例如上海市地表水资源可用率仅只1%,劣Ⅴ类的水占68.6%。这些被严重污染的水除来源于本地排污外,绝大多数来自上游。
 
        2011年11月,笔者曾专门对乌江干流上诸水电站水库中水体受TP污染的情况做过系统的选点取样与化验。结果显示,乌江渡水库(库容21.4亿m3)水体TP浓度高达6.678mg/L,为地表湖库Ⅱ类水标准的267倍,为劣Ⅴ类水,污染源均为磷石膏堆。
 
        同时,渗入乌江渡水库的旧磷石膏悬浊液中的重金属严重超标,其中砷(As)、镉(Cd)、汞(Hg)、铅(Pb)、铜(Cu)等5种重金属超标十几倍到十几万倍。水库中的水上层重金属含量低,下层高,而库底的底泥中重金属含量往往是顶层的千万倍,是水库最难清理的污染源。另外,构皮滩、思林、沙沱等水库的底泥污染源也早已形成。欲清除这些大型水库的底泥污染源,恢复库区水质达标,在维持各水库的水电站运行的条件下其工程之浩大,技术之复杂,耗时之长久,需投入资金巨大,实难估算。
磷肥施用对农田的污染
 
        由湿法制得的磷酸经氨化生成的磷肥,重金属含量远比氮、钾肥为高。因此,磷肥施用会给土壤带来比氮、钾肥要严重的重金属污染。湿法磷酸中的重金属来自磷矿石。各地的磷矿石品位与性状不同,各种重金属的含量也不同。
 
        湿法磷酸磷肥的质量与原矿石的品位和性状有着密切的关系。欲提高湿法磷酸磷肥的质量,就必须采用各种相应的沉降剂使重金属化合物沉淀去除,制成所谓的“精制磷酸”,而这就使湿法磷酸磷肥工艺变得更加复杂。
 
        目前,我国磷肥的利用率仅只10%~25%,绝大多数磷肥转化为作物难以吸收的磷酸盐成份,长期保留在土壤中。多年持续施用磷肥,使土壤中的总磷达到有效磷的100~600倍,相应地,重金属的含量也是磷肥中含量的数倍。
 
        例如,欲实现亩产玉米800kg,需年施肥7kg左右,假定磷肥中重金属土壤残留率为0.8,取背景值为零,经五年施用,土壤中的重金属积累量高得惊人。如锰(Mn)可达27041mg/kg,铜(Cu)可达2923 mg/kg,砷(As)可达908 mg/kg,锌(Zn)可达2852 mg/kg。对照土壤重金属国家标准的旱地二级标准值,多数重金属含量均超标,而砷、铜、锌、镉等超标达数十倍。
 
        土壤中重金属有害累积数量的增大不仅污染土地,降低作物产量,而且经食物链进入人体内也形成有害积累,最终给人的健康带来危害。土地一经重金属污染,因面积广大而使治理十分困难。传统生产的磷肥年施用已达1200万吨,每吨磷肥重金属总含量据保守估计约重1kg,施肥进入土壤的重金属每年可达约1.2万吨。因此,把湿法磷酸制的磷肥称为土地的重要污染源之一是不为过的。
 
(作者系中国农业大学教授,其与本文相关的研究获科技部部长专项BJST-2011支助。)

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