无磷洗衣粉并非控制水体富营养化的灵丹妙药.doc

ｓｕｎｓｈｉｎｅ
无磷洗衣粉并非控制水体富营养化的灵丹妙药
郝晓地，张 晏，朱景义
北京建筑工程学院可持续环境生物技术研发中心，北京 100044

摘要：很多人认为，使用无磷洗衣粉便能有效解决令人烦恼的“水华”或“赤潮”问题。然而，无论是西方国家长达20年的实践经验，还是我国目前面临的现状显示，无磷洗衣粉对遏制水体富营养化现象作用并不十分明显！究其原因，面源污染和生活污水中的其它磷来源才是构成水体磷负荷的主要来源。因此，在国内外普遍兴建污水处理厂的前提下，是否有必要以洗涤效果不佳、可能会产生新的环境问题的无磷洗衣粉替代传统洗衣粉目前正遭到国外一些有识之士质疑。文章介绍了国外这方面的情况，并总结性地提出了我国在此方面应注意的问题。
关键词：富营养化；无磷洗衣粉；污水处理；磷回收
中图分类号：X52 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2005）04-0607-04
ｓｕｎｓｈｉｎｅ
近年来，国内许多洗衣粉/洗涤剂生产厂家纷纷效仿国外,开始生产一种所谓无磷、环保洗衣粉。短短几年时间，无磷洗衣粉已经占领了洗涤用品市场的半壁江山，而且大有全面取代含磷洗衣粉之趋势。然而,洗衣粉禁磷后的实际功效果真是众望所归，能有效遏制水体富营养化吗？
1 洗衣粉禁磷后的国内外情况
瑞士、意大利、美国、日本等发达国家于上世纪七八十年代率先实行洗衣粉禁磷。但到目前为止，并没有调查结果显示这些国家湖泊等地面水体水质有了根本性的改变[1]。这表明，这些国家的水体富营养化现象可能主要由其它来源（土壤侵蚀、动物粪便、地表径流、岩石侵蚀等）的营养物质以及一些特定物理因素（温度、阳光、流速等）所引起，因而仅仅通过洗衣粉禁磷实现控制水体富营养化无异于杯水车薪。
在我国太湖地区，从上世纪末也开始采取洗衣粉禁磷措施。禁磷后,进入污水处理厂污水中的磷浓度有所降低，约减少了1/4。禁磷后的第2年(2000年)与禁磷前相比较：21个监测断面中,磷浓度上升的有11个,占监测断面总数的52.4%；下降的有6个，占28.6%；持平的有3个,占14.3%。因此可以看出，洗衣粉禁磷措施只是影响入湖河道磷浓度的因素之一，但不是影响入湖河水中磷浓度变化的主要因子，所以禁磷措施对湖体水域磷浓度降低和富营养化程度控制作用不大[2]。
在我国的滇池地区，1998年后实行了洗衣粉禁磷措施，而禁磷后的这些年并没有观测到滇池水体富营养化有明显好转迹象[3, 4]。到2002年，滇池草海水质劣于Ⅴ类，主要污染指标总磷、总氮等均超劣Ⅴ类标准；外海水质主要污染指标亦为氮、磷，水质总体也列为劣Ⅴ类。2003年第二、三季度，滇池草海水体总体水质仍为劣Ⅴ类，主要超标项目还是总氮和总磷；与上年比较，外海水质略有好转，但仅仅是由劣Ⅴ类变为Ⅴ类而已。需要指出的是，有关滇池水质监测数据是在昆明市市政污水处理普及率已达80%的情况下获得的。换句话说，洗衣粉禁磷外加一道污水脱氮除磷防线也未能使滇池水质有质的变化。
2 含磷洗衣粉对水体富营养化的实际作用
有机生活
废料23%
岩石侵蚀10%
工业排放7%
洗衣粉磷11%
农业面源49%

图1 地表水含磷来源
Fig. 1 Phosphorus sources of surface water

根据欧洲经验[1]，洗衣粉中的磷含量仅仅占流入地表水体总磷负荷的11%，见图1。就生活污水中的磷负荷而言，洗衣粉中所含的磷估计一般不超过生活污水总磷负荷的1/3换言之，生活污水中超过2/3的磷负荷由人体排泄废物（主要为尿液，约占50%）、食物废料和其它有机废料所致。由此可见，仅靠洗衣粉禁磷的确是难以控制水体富营养化这一现象，而对点源的控制最终不得不通过建设具有营养物去除功能的污水处理设施来达到目的。
在我国滇池磷负荷的来源中，农业面源污染也不在少数[5]。在被调查的滇池流域，单位面积磷肥使用数量远远高于全国平均水平，土壤中有效磷平均含量高达189.51 mg/kg。由于化肥有效利用率很低（磷肥利用率只有10%~20%），且表施多于深施，这就进一步造成肥料的有效利用率低下。因而农田地表中大量氮、磷通过径流进入地表水体，最终加剧滇池水体的富营养化。另外，矿山对滇池磷负荷量也有很大影响。滇池地处磷矿区，直接流经磷矿区的河流有柴河、晋宁大河、东大河等，这些河流每年每平方公里向滇池输入总磷355 kg，暴雨期总磷浓度高达30 mg/L以上。
上述国内外经验表明，不仅洗衣粉禁磷对控制水体富营养化作用不大，即便是通过污水处理达到对点源的全面控制，可能也不会让这一令人烦恼的现象立刻消失，这是因为地表水体中还有近2/3的磷负荷来自于非点源等污染源[1, 6]。根据世界经济与发展组织提出的湖泊、水库营养化分类标准[7]，年平均总磷84.4 mg P/m3，总氮1875 mg N/m3即可定义为富营养化。按照这个标准，水体中的磷含量只要在很低水平时便可导致水体富营养化发生。其实，很多水体中即使在完全没有污水排入的情况下，单就非点源流入的磷负荷已足以导致富营养化现象。当然，这还要取决于其它营养成分（氮、硅酸盐等）与物理条件（温度、阳光、水流等）是否适合诱发富营养化。这便是欧美等国家洗衣粉禁磷多年后却出现尴尬局面的原因所在。
显然，仅仅是洗衣粉禁磷或实施污水除磷等点源控制措施并不能有效遏制水体富营养化现象，只有在首先完成对非点源磷控制的情况下实施洗衣粉禁磷方可能才露出它的“英雄本色”。而且，这还需要有完善的污水处理设施作后盾。率先实行洗衣粉禁磷的欧美国家经过10~20年却未能如愿以偿，残酷事实促使人们反思洗衣粉禁磷的必要性和紧迫性。事实上，即便是在欧盟国家内部，也并非是所有国家都开始实行洗衣粉禁磷[1]。到目前为止，欧盟甚至还没有达成共识的洗衣粉禁磷统一法令。在已实行禁磷的国家，一些是全面禁止，如，意大利和比例时；另一些是部分禁止，如，奥地利和德国；而还有些并没有明确的禁磷法令，完全靠自我约束来禁磷，如，荷兰及北欧诸国。在西腊、卢森堡、葡萄牙、西班牙等国，如今仍然尚未采取法令或自我约束等行动实行洗衣粉禁磷。在欧盟国家之外，瑞士、加拿大、美国的27个州实行禁磷；而日本只在一些敏感水域实行禁磷。
3 磷——一种无毒、无害、性能卓越的洗衣粉成分
实际上对消费者来说，含磷洗衣粉既是洗涤效果最好，也是最经济、使用量最小的洗涤用品。如果没有水体富营养化之虞，洗衣粉中的磷既不对人体健康构成危害，也不对环境产生毒害作用，而这在众多化学元素中是独一无二的。可以说，磷作为洗衣粉的重要成分在卫生性、安全性等方面都是具有绝对保障的。
磷在洗衣粉中以三聚磷酸钠（STPP）的形式存在，主要起表面活化剂亲水“骨架”作用，具有如下一些重要功能：
1）抑制硬水、土壤中的钙、镁离子的影响；
2）重新溶解残留在洗衣机中的钙、镁化合物；
3）防止钙、镁水垢沉积在洗衣机加热部件上；
·完全清除化纤上的脏物与水垢，以防再沉积；
·使洗涤过程的碱度稳定在适当水平；
·有助于破碎较大的脏物颗粒，使之被清洗出去；
·水解油渍与油脂，以利洗涤去除；

·有助于洗衣粉的制造、储存、使用；
·有利于洗衣粉溶解，特别是粒状洗衣粉。
实际上，磷在洗衣粉中的作用效果要优于任何其他化学成分，且用量最少。如果使用非磷成分的替代品，如浮石、聚羟酸（PCAs）、柠檬酸、氮川三醋酸（NTA），首先是洗涤效果大打折扣，其次是用量极大（0.7 g STPP相当于0.9 g浮石外加0.2 g PCAs；表面活性物质用量将增加5~15%），况且替代品对环境的潜在影响目前尚不十分清楚。无磷洗衣粉对环境最直接的影响表现在产生较多悬浮物或污泥。瑞典斯德哥尔摩水务局最近对此作了一项评估，结果令人吃惊，无磷洗衣粉使污水中悬浮物的浓度上升10倍以上，致使污泥量成倍增加。
4 从污水中回收磷——维持含磷洗衣粉的前提
有一点可以肯定，也是各国学者的一致共识，无论洗衣粉禁磷与否污水处理设施一般都需要逐步建设。而洗衣粉含磷或无磷所产生的污水处理费用差异的大小将主要取决于污泥的产量、生物与化学除磷工艺的选择、毋须除磷污水处理厂所占比例等。毫无疑问，无磷洗衣粉所产生的大量悬浮物最终将以剩余污泥的形式累积于污水处理厂中，成为了不可回收、没有利用价值的废物。相反，通过未来会普遍采用的磷回收/循环，能够有效地平衡从污水中除磷的经济与环境影响。这样一来，含磷污泥将被转换为有回收价值的有用资源。正因如此，洗衣粉中的磷酸盐被誉为可持续性的洗衣粉成分[1]。
实际上早在上世纪90年代，欧盟便出台了污水脱氮除磷的纲领性文件：“市政污水处理协定（91/271）”。该文件硬性规定，凡是处理量超过10000当量人口（实际人口6000~8000人）、排放到富营养化敏感水域的污水处理厂必须设置脱氮除磷设施。即使是在有较少人口居住的乡镇或社区，该文件也规定应有“适当”的污水处理设施。从污水中去除的磷或者以污泥形式返还农田,或以可以回收/利用的化合物形式予以回收。由于污泥中所含重金属及潜在的二次污染问题，含磷污泥作为肥料返田各国已日趋限制。因此，目前从污水处理过程中回收磷渐渐成为欧美等国家政府、专业组织、水工业部门等积极倡导的做法。
磷在地球上是一种贮量十分有限的矿产资源。磷在工业农业、生活等使用过程中呈单项流动，并最终以污水形式通过地面水体流入大海，沉入深海的沉积层中。因此，磷是一种不可自然再生的资源。就全球而言，现在已探明的磷储量仅够人类使用不足100年的时间[8]，而我国磷矿的开采量最多也只有70年左右的时间，这其中还包括了绝大多数的劣质磷矿[9]。陆地上若是没有了磷，首先影响到的是人类的食物来源，人类所面临的将是庄稼若不经风、颗粒无收，这比起人们目前普遍担心的“水危机”、“能源危机”在时间上显得更为可怕。可见，磷危机已成为世界各国实现可持续发展的一大障碍。所以，现在世界上许多国家都非常重视磷的可持续发展问题。从磷的可持续利用角度看，人类只能在磷随水流入大海之前以工程技术手段最大限度地截留并回收方能延缓磷资源的匮乏速度。因此，从污水中回收磷成为人工循环利用磷的一种可能。为此，欧洲磷酸盐工业协会（CEEP）、化肥工业、水工业等行业组织已向欧盟提出研发从污水处理过程中回收磷的研究计划，以减少对天然磷矿藏使用量。CEEP目标是在10年内实现25%的洗涤剂磷酸盐用量从污水处理过程中回收[1]。实际上，从污水中回收的磷其最好用途是直接或间接用作农业与园艺业的肥料。因此，从2005年起CEEP期望所有磷酸盐工业今后有50%的磷原料来自于回收磷（除从污水中回收外，也可从动物废料中回收）。
正因为如此，近年来带有回收磷功能的污水处理厂得到了快速的发展。例如，位于日本岛根县的Unitika污水处理厂(5000 m3/d)，安装了3套从污泥消化液中回收鸟粪石的装置。氢氧化镁与氢氧化钠以1∶1的摩尔比投入到污泥消化液中，从而使鸟粪石以细小晶体的形式在流化床中沉淀生成，该装置能回收90%的溶解性磷。意大利Triviso污水处理厂，在脱水上清液中安装鸟粪石沉淀装置，并采用曝气吹脱水中溶解二氧化碳的方式提高pH值。初步实验结果显示，能够回收进水中55%～64%的溶解性磷。此外，荷兰、英国等国家也不甘其后，也相继研发和建设了一些能够进行磷回收的污水处理工艺和污水处理厂，如BCFSÒ工艺[1]。
5 结束语
综上所述，在控制水体富营养化问题上，从洗衣粉禁磷入手并非上策。即使洗衣粉全面禁磷，也不能有效遏制水体富营养化。相反，可能还会带来一些新的环境问题！鉴于此，国外对洗衣粉“绿色标签”的定义标准有所降低，即使是所谓环保型洗衣粉配方中也容许有一定量的磷酸盐存在，因为磷酸盐是最佳的、也是最密实的洗衣粉“骨架”。例如，不仅北欧诸国的“白天鹅”生态标签与泰国绿色标签计划，而且欧盟最近更新的生态标签全都容许将磷酸盐列入洗衣粉合格成分（磷酸盐含量可达27%）。
国外对洗衣粉从“禁”磷到“限”磷是在走过了一段相当艰辛的道路之后方得出的结论。对此，更有国外学者倾向于既不禁磷也不限磷，而是保留传统含磷洗衣粉配方，对转移到污水中的磷通过处理予以回收，使之成为一种可持续的资源物质。我国在控制水体富营养化的问题上才刚刚起步，国外的经验和教训应该成为我们的前车之鉴。否则，我们在这个问题上有可能会步西方国家之后尘，这势必重蹈他人之覆辙。

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Detergents without phosphate is not miraculous for controlling eutrophication

HAO Xiao-di, ZHANG Yan, ZHU Jing-yi
The R & D Center for Sustainable Environmental Biotechnology, Beijing Inst. of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044, China

Abstract: Phosphates as an effective component in detergents have their advantage over any other components. However, eutrophication needs to reduce phosphate from wastewater into surface water. Can detergents without phosphates function in this respect? In fact, no enough data indicate that this activity at abroad and home is fully effective to control eutrophication. Instead, detergent without phosphates may create new environmental problems such as more sludge production. Under the condition where wastewater treatment with BRN processes has been or will be applied, it seems not necessary to use detergent without phosphate. Phosphate recovery from wastewater treatment can make detergent become a sustainable detergent component. This article describes this situation.
Key words: eutrophication; detergents without phosphate; wastewater treatment; phosphate recovery