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都市污水除磷與回收-流體化床結晶技術

莊順興 朝陽科技大學 教授

林南宏 內政部營建署下水道工程處 分隊長

吳峻豪 內政部營建署下水道工程處 約用人員

摘要

磷(Phosphorus, P)是所有生物的生命元素，為作物收成的限制因子，是一種無

法製造或合成之元素，在地球上與水及能源同屬有限資源。在污水處理廠下水污

泥中富含磷，如何有效回收再利用，將磷成為循環利用之資源，為國內永續發展

之課題。本研究採流體化床結晶技術（Fluidized-Bed Crystallization Technology,

FBC）進行磷回收，分別以模型廠及實驗室試驗，回收成份為磷酸鈣(Ca5(PO4)3OH,

HAP)及磷酸銨鎂(MgNH4PO4．6H2O, MAP)，期能作為肥料或其他工業產品原料。

流體化床模型廠磷酸鈣結晶之試驗結果顯示，磷結晶率及磷去除率平均分別

為 53%及 58%，結晶效率受水中 SS 濃度、有機物、無機物及其他金屬離子之干

擾影響成效。產出磷酸鈣結晶珠進行特性分析，結果顯示，結晶珠含水率皆低於

10%，而結晶珠以 SEM 放大倍率 1000 倍觀察，擔體外部結晶明顯。EDS 分析元

素成分之 P、Mg 及 Ca 重量百分比分別為 7.32%、0.89%及 8.52%。另以實廠污

水之污泥脫水濾液為對象，進行實驗室磷酸銨鎂結晶試驗，控制 PO4-P：50 mg/L

進行十五天實驗，操作於 pH 值 9.0、Mg/P 莫耳比 1.2 條件下，磷結晶率可達 80%

成效。模型廠磷酸鈣試驗產出結晶珠之重金屬含量，分析砷、鎘、鉻、銅、汞、

鎳、鉛及鋅等八項重金屬，結果顯示，流體化床模型廠結晶試驗產出結晶珠均符

合家庭園藝用複合肥料、過磷酸鈣肥料、混合磷質肥料及複合肥料標準值。

關鍵字：流體化床結晶，磷回收，磷酸鈣，磷酸銨鎂

 

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一、 前言

磷是所有生物的生命元素，是作物收成的限制因子，在地球上與水及能源同

屬有限資源。磷與石油及其他自然資源類似，是無法製造、替代及合成之元素；

但磷不像水資源般，已有完備的回收再利用技術，磷亦不如能源，尚有許多替代

性能源在持續發展中。由於全球磷礦迅速減少，磷礦中 P2O5 含量下降，以及人口

持續增加，食物需求成長加劇，而造成磷之供需失調嚴重，為目前亟需解決之問

題[1]。

污水處理除考量有機物之去除外，許多污水處理廠亦以去除污水中之營養鹽

如氮、磷等為目標，而生活中因人類排泄之糞便尿液、使用清潔劑及施灑肥料排

入下水道系統，因此於污水處理廠下水道污泥中富含磷，如何有效回收再利用，

將磷成為循環利用之資源，為國內永續發展之課題。

流體化床結晶技術（Fluidized-Bed Crystallization Technology, FBC technology），

利用金屬鹽(碳酸鹽、磷酸鹽、氟化物或硫化物)具低溶解度及穩態晶體特性，使

晶體在流體化的擔體上成長，以去除及回收廢污水中之金屬離子或陰離子。其產

出之結晶珠，具有含水率低、純度高等優點，適合作為資源化回收的副產物，可

減少廢棄物處理量，為一具有經濟效益的前瞻技術[2, 3,4]。然而，雖然國外已建

立有磷回收技術案例，如德國、瑞典、荷蘭及加拿大等先進國家，皆有回收磷之

技術研發，且亦建立有實際應用之案例，但若要將其應用於國內污水廠，應先以

國內下水道之特性再配合國外技術之應用範圍做通盤之考量，才能選擇適合於國

內污水處理廠之磷回收技術。對於技術應用之效益亦需藉由國內污水處理廠之實

驗結果加以評估。

污水處理廠使用之各種技術回收所得磷之型式將有所不同，較常見的為磷

酸鈣(Ca3(PO4)2 及磷酸銨鎂(MgNH4PO4．6H2O)等不同型式)，其中磷酸銨鎂可同

時去除及回收廢污水中的磷與氮，可作為緩釋肥料或其他工業產品（清潔產品、

化學品、阻燃劑）之原料[5, 6, 7]。各種型式的磷，各有其不同之經濟價值及應用

範圍，亦可降低污泥處理問題。

 

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二、文獻回顧

2.1 國內進口磷之流佈

我國 103 年所進口之總磷量約 848 仟噸磷化物，依進口及使用類別分為三

類，分別為(1)磷酸肥及複合式肥料、(2)磷礦石粉、(3)磷化合物，加以了解。

依據財政部關務署之進口總值調查資料，台灣進口磷化物中，約有 152 仟噸

的複合肥料和過磷酸鈣肥及 661 仟噸磷礦粉被歸類於肥料類，其為製造肥料及飼

料添加劑使用。於進口磷化物總量扣除磷酸肥及複合式肥料、磷礦石粉之進口量，

則磷化合物進口量約為 35 仟噸，各類別之進口數量如表 1 所示。 其中磷化合物為高單價磷化物，一般分佈於化工、輕工業和食品業中用

以當作各種界面活性劑，或者用於有機農藥、清潔劑、醫藥用品、實驗藥劑及電

子業的生產原料，如圖 1 所示。民國 103 年進口磷化物之價值約 9,483 百萬元，其中以磷礦石粉為最大宗。

表 1 民國 103 年台灣進口磷化物類別與數量[8]

資料來源：財政部關務署[11]

數量(仟噸) 價值(新台幣百萬元)

磷酸肥及複合式肥料 152 987 磷礦石粉 661 597 磷化合物 35 7,899

總計 848 9,483

 

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圖 1 磷資源之流佈(民國 103 年資料)

根據我國進口之磷化物資料，推估下水道污泥磷量，民國 103 年度磷化物中化學磷肥及磷礦石粉所含磷量約為 20,052 t-P/yr，其中，流入污水下水道系統之磷量約為 6,394 t-P/年，未納入處理系統之磷量約為 3,204 t-P/年，如圖 2 所示。污水污泥中富含磷若能妥善回收，可降低磷含量排放於承受水體，具有明顯環境

效益。

磷酸肥及複合式肥料

152仟噸

磷礦石粉661仟噸

磷肥料、飼料添加劑

化學工業

磷肥及複合磷肥、飼料

磷化合物-食品級

農藥原料、化成品

藥中間體、化合物

磷化合物-工業級

磷化合物-電子級

食品、飲品製造

有機農藥、清潔劑

醫藥品、實驗藥劑

工業生產助劑

半導體、二極體製造

磷酸肥及複合肥式料飼料添加劑

661仟噸

工業35仟噸

肥料、飼料813仟噸

進口磷化物

848仟噸

磷化物35仟噸

 

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圖 2 國內磷之使用量與下水道系統磷量推估(民國 103 年資料)

2.2 磷技術應用

常見之流體化床結晶反應器中，於操作上具有化學及物理兩種反應行為。在

化學反應方面，係改變溶液之化學環境，使溶液呈現過飽和狀態，並隨著過飽和

度的增加，進而形成沉澱或結晶物；在物理反應方面，係添加固體顆粒於流體化

床反應器中做為擔體，並藉由擔體所提供的高比表面積與流體化完全混合的優越

性，使得上述化學反應行為之結晶物易附著於擔體表面，並逐漸晶體成長。

另流體化床結晶形式可分為異相成核與均相成核，異相成核結晶其最大特

徵是添加高比表面積的固體顆粒做為結晶物成長的擔體，因此類反應係由固體顆

粒吸附結晶物作用，並由其表面成長為粒徑較大之晶體，故稱為異相成核

(Heterogeneous nucleation)；而近幾年來開發新穎技術稱為均相成核(Homogeneous

 

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nucleation)，最大特點是以不添加擔體方式，其最大困難點在於初成核生成晶種，併以類異相成核結晶機制成長，目前商業上應用於肥料之磷結晶技術均屬於異相

成核結晶技術，另應用於工業上具高純度結晶物質屬於均相成核結晶技術。圖 3為異相成核與均相成核之結晶過程示意圖。

圖 3 異相與均相成核結晶過程示意圖

常見之污水處理廠磷回收技術如表 2 所示。首先 PhoStrip 製程由厭氧消化出水經沉澱或結晶系統處理；德國 PRISA 製程由過剩污泥(上澄液)與濃縮槽(上澄液)及壓濾機排水經混合槽到結晶系統處理；改良式 Cambi/KREPRO 由離心機(有機污泥經熱水解之上澄液) 經結晶系統處理；Phosnix 製程由脫水機(出水) 經結晶系統處理；Ostara 公司的 PEARL™ 製程由初級污泥與過剩污泥與厭氧消化以及離心機(上澄液)經結晶系統處理；DHV Crystalactor 技術針對污泥厭氧消化槽上澄液進行結晶回收。

表 2 結晶技術添加藥劑之水體差異比較

技術名稱 水體處理之性質

PhoStrip 技術 厭氧消化出水→沉澱或結晶系統

PRISA 技術 過剩污泥(上澄液)+濃縮槽(上澄液)+

壓濾機之排水→混合槽→結晶系統

Cambi/KREPRO 技術 離心機(有機污泥上澄液) →結晶系統

Phosnix 技術 脫水機(出水) →結晶系統

Ostara PEARL 技術 初級污泥+過剩污泥→厭氧消化→離

心機(上澄液) →結晶系統

DHV Crystalactor 技術 厭氧消化槽上澄液→結晶系統

 

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國外流體化床結晶技術大部分技術已有實廠運轉經驗。選擇使用於國內污

水處理廠之磷回收技術，初步考量之程序包括磷酸銨鎂結晶法與磷酸鈣結晶法。

考量國內磷回收為研發初期，技術之選用以成熟而有成功實廠案例為優先考量。

流體化床結晶法以污泥處理過程中上澄液或脫水濾液為對象進行磷之回收。據國

外污水處理廠經驗，磷回收最佳單元為污泥濃縮、消化槽及脫水機單元，此三種

單元皆可取得含磷之水樣，再經由流體化床結晶技術以磷酸銨鎂及磷酸鈣結晶法。

圖 4 為污水處理廠磷回收技術評估之應用單元。

圖 4 磷回收技術應用單元與對象[9]

三、 研究結果與討論

3.1 流體化床模型廠磷酸鈣結晶

流體化床模型廠試驗操作條件為脫水濾液進流量 10.4 L/min，pH 值 9.0±0.2，

水力停留時間 3.4 分鐘，Ca/P 莫爾比為 3.0，流體化床膨脹比控制為 100%，進流

水特性主要以實廠及模型廠脫水濾液做為混合液試驗；探討磷結晶率及去除率之

成效，操作條件如表 3 所示。

初沉曝氣槽

終沉

濃縮

污泥消化

脫水

燒卻

乾燥

焚化爐

HAP、MAP技術

流入下水 處理水

燒卻灰

炭化物

 

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表 3 流體化床模型廠 HAP 結晶之操作條件

項目 操作條件

擔體密度

(g/cm3) 2.5

pH 值 9.0±0.2 Ca/P 莫爾比 3.0

進流量(L/min) 10.4 鈣進流量

(L/min) 0.25

截面流速(m/hr) 103.4 HRT(min) 3.4

膨脹比 100

流體化床結晶試驗之水解污泥離心液 T-P 濃度平均為 165.8±129.1 mg/L。進流水

解污泥離心液 PO4-P 濃度平均為 121.9±66.8 mg/L，經流體化床結晶程序之出流

水及濾液 PO4-P 濃度平均為 74.3 mg/L 及 70.2 mg/L，可發現出流水混合液及濾液

PO4-P 濃度差異不大，顯示水中懸浮固體物含量較少，表示 SS 影響總磷濃度明

顯。經流體化床結晶處理後之 PO4-P 濃度可減少約 50 mg/L。採取流體化床結晶

程序水體中濾液、膠羽及擔體 PO4-P 濃度進行評估，結果顯示，出流水濾液 PO4-

P 濃度平均為 70.2 mg/L，膠羽 PO4-P 濃度平均為 4.1 mg/L，擔體 PO4-P 濃度平均

為 47.7 mg/L，出流水濾液 PO4-P 濃度偏高現象，推測反應時間過短，或擔體表

面有機質附著及濾液特性干擾結晶反應系統等因素，造成 PO4-P 濃度偏高現象。

流體化床之穩定試驗水體以調配合成濾液為主，故膠羽含量及濃度較低。流體化

床試驗之磷結晶率及磷去除率平均分別為 53%及 58%，與實驗室研究成果比較，

磷結晶率及磷去除率均明顯降低，推測水體中 SS 濃度及有機物為最大干擾結晶

因子；磷結晶率及磷去除率變化趨勢如圖 5 所示。

 

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圖 5 流體化床模型廠之磷結晶率及磷去除率變化圖

3.2 流體化床實驗室磷酸銨鎂結晶

本研究以實廠脫水濾液調配 PO4-P 濃度為 50 mg/L 進行長期之實驗，操作條

件控制 pH9.0、Mg/P 莫耳比 1.2 進行十五天實驗，結果顯示，自第一天的結晶率

達 66%，至第八天前的結晶與去除率呈高低起伏現象，可能因水體或操作調整及

排晶程序等因素，導致水中磷結晶呈不穩定現象，於第八天後呈穩定且結晶率與

去除率約 85% - 88%，且水體中 PO4-P 以結晶型態形成併去除，從去除率成效發

現接近於結晶效率，如圖 6 所示。顯示實驗室磷酸銨鎂結晶試驗中，結晶穩定，

亦即水質穩定為結晶技術之重要關鍵因子。

0

20

40

60

80

100百分比

(%)

日期

結晶率

去除率

 

10 

Time (day)

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Perc

enta

ge (%

)

0

20

40

60

80

100

Crystal Removal

圖 6 長期試驗對磷酸銨鎂結晶之變化(PO4-P：50 mg/L)

3.3 磷酸鈣結晶珠表面型態觀察、表面元素及重金屬分析

流體化床模型廠試驗之產出結晶珠進行含水率、表面型態分析(SEM)、表面

元素分析(EDS)、及重金屬分析(ICP-OES)，試驗產出結晶珠經篩選，其結晶珠顆

粒粒徑約 0.1-0.2 mm，流體化床模型廠產出結晶珠之外觀變化如圖 7 所示。分析

結果顯示，結晶珠顆粒含水率皆低於 10%，顯示流體化床試驗之結晶物質純度高，

具有效脫水作用，以利後續資源再利用。

結晶珠顆粒進行 SEM 分析，結果顯示，倍率 1000 倍之結晶珠明顯外觀呈現

包覆現象，具有明顯結晶現象，如圖 8 所示。結晶珠表面元素分析結果顯示，結

晶珠元素成分皆係有 C、O、Mg、P 及 Ca 等成分，結晶珠之 Mg、P 及 Ca 重量

百分比分別為 0.89%、7.32%及 8.52%，如表 4 所示，則可得結晶珠之 Ca/P 莫爾

比約 1.2，顯示 Ca 成分較高，從元素分析可發現亦有其他金屬存在，顯示結晶試

驗在水質複雜環境下，結晶程序將受干擾。

 

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圖 7 流體化床模型廠之結晶珠

圖 8 流體化床模型廠磷酸鈣結晶珠之表面結晶 SEM 圖

(a)100X (b)1,000X

表 4 流體化床模型廠磷酸鈣結晶珠之表面結晶 EDS 圖

項目 C O Mg Al Si P Ca

Weight(%) 33.29 39.11 0.89 1.08 1.81 7.32 8.52

流體化床試驗之結晶珠顆粒進行重金屬濃度分析，其重金屬主要對環境、生物及

人體健康危害之虞，分析項目包含砷、鎘、鉻、銅、汞、鎳、鉛及鋅等八項有害

重金屬，分析結果顯示，汞元素檢測低於儀器設備偵測極限值 0.00014 mg/L，其

餘金屬含量皆有測出，其結晶珠顆粒之八項重金屬均符合肥料類法規標準值，可

利用於家庭園藝用複合肥料、過磷酸鈣肥料、混合磷質肥料及複合肥料，其各類

肥料標準值如表 5 所示。

(a) (b)

 

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表 5 流體化床模型廠酸鈣結晶試驗之結晶珠重金屬分析及肥料類管制標準

項目 結晶珠

(mg/kg)

家庭園藝用

複合肥料

(mg/kg)

過磷酸鈣

肥料

(mg/kg)

混合磷質

肥料

(mg/kg)

複合

肥料

(mg/kg)

砷 0.12 25 25.0 25.0 25.0

鎘 0.13 2.0 15.0 15.0 －

鉻 12.1 150 150 150 150

銅 13.5 100 100 100 100

汞 N.D. 1.0 1.0 1.0 1.0

鎳 8.7 25.0 25.0 25.0 25.0

鉛 2.1 150 150 150 150

鋅 61.0 250 250 250 250

儀器設備偵測極限之 N.D.值為汞：

 

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參考文獻

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