废弃物是被放错了地方的资源，磷就是一个很好的例子。使用了磷化肥的作物的长势优于没有施肥的作物（图1左），但是过量的氮、磷肥又会导致富营养化的问题（图1右），国际上一般认为水体中总磷的质量浓度限值为100μg/L，最严格的法规要求总磷浓度要低于10μg/L。另一方面，磷被视作一种不可再生的资源，因为国际市场对磷回收技术的兴趣日渐浓厚。
图1. 使用磷肥的利弊 | 图源：Wetsus
在此背景下，Prashanth Kumar博士从2013年开始加入荷兰的Wetsus（欧洲卓越可持续水技术中心）从事除磷研究。最近，他和荷兰代尔夫特理工大学的团队合作，从经济层面出发，探讨影响磷吸附技术实施的主要参数，找到了目前研究和应用之间的空白点。他们的综述报告《Adsorption as a technology to achieve ultra-low concentrations of phosphate: Research gaps and economic analysis》收录在近期的IWA期刊《Water Research X》上。
一般除磷的方法可分为物理、化学和生物等方法，仅仅用单一手段往往不足以应付超低浓度的含磷污水。有文献称使用化学沉淀加超滤的方法可以使出水总磷低于0.015mg/L。但膜技术往往会遇到膜污染的问题，使用化学沉淀剂无法回收，还需要大量占地。
不少文献都建议使用吸附作为低浓度除磷的技术手段，因为它占地面积小，副产物少，还可以回收磷。然而，这些文献很少证明它能否用于大规模工程。这次综述研究的重点放在市政污水厂出水的加工处理，但作者们认为研究结果适用于任何水体的除磷，例如地表水的修复，或者作为膜工艺的预处理防止生物结垢。如下图所示，他们主要分析了三个因素，包括吸附剂成本，实际负荷和再生成本。为了方便场景分析，他们将吸附剂成本分为三个等级：
- 单位成本低于$1/kg的原料属于低成本，例如一些废弃生物质；
- 成本介于$3-6/kg之间的，如粒状多孔金属氧化物，为适中价格；
- 单价超过$10/kg的属于高成本，例如$15-20/kg的混合离子交换树脂（BioPhreezhuan®）
为了方便评估吸附能力，他们使用了“实际负荷”一词，考虑亲和度、动力学平衡、选择性、温度敏感度、pH耐受性等。考量再生成本出于两点目的，第一是要回收磷，第二是回用吸附剂。他们考虑的性能因素包括吸附剂的再生活性区域、释出表面沉淀剂的情况、中和过量NaOH的能力以及磷回收的能力。除了上述三点，他们还对吸附剂的寿命进行考察。许多研究显示一般的吸附剂可以回用5-10次。因此作者认为理想的吸附剂的回用次数应该远高于这个范围，但目的并不是无限回用，而是找到影响再生寿命的参数，从而优化再生方法。
对磷吸附工艺的经济分析分为运行成本和投资成本两大部分。其中运行成本主要包括化学品和能耗。在这次综述里，化学品成本是他们的主要关注点，因为计算显示它占总成本的70%。
图3. 磷吸附的工艺原理，其中酸洗步骤用于除去表面沉淀物磷吸附的工艺原理如上图所示。基于这个流程图，化学品成本的估算方程式如下所示：A指第一个吸附循环的成本，B指每次再生循环的成本，单位是$/摩尔/次，n是再生循环次数。分母是吸附剂的总循环数。一些假设细节不再此详述。A=吸附剂的单位质量($/kg)成本 / 实际负荷(mol/kg)；B=(单次解吸成本($/kg/次)+单次酸洗成本($/kg/次)+单次磷回收成本($/kg/次))/ 实际负荷(mol/kg)上图曲线显示了回用再生次数的重要性，但作者也强调再生能力取决于吸附剂的材质性能，按照之前的成本分类，他们选取了废弃生物质、多孔金属氧化物和混合离子交换树脂来做情景分析，对比结果如下表1所示。为了考虑不确定性的因素，他们用蒙特卡罗模拟计算方法来计算三种吸附剂实现0.1mgP/L出水浓度的所需要的成本费用：主要参数如上表所示，其中他们根据图4的曲线对多孔金属氧化物和树脂材料的循环次数进行假设，前者约为30，后者为100次。模拟计算结果如下图5所示：结合表1和图5可以看出，尽管废弃生物质似乎很便宜，但实际上，可回用的多孔金属氧化物和混合离子交换树脂的单位成本更低。后两者的化学品成本都在$100/kgP左右。作者还分析了多孔金属氧化物对6大参数的敏感度，如下图6所示，其中吸附剂成本、实际负荷和再生次数影响最显著。化学成本随实际负载和循环次数的增加呈非线性的下降趋势，而吸附剂材料单价和总成本成线性正相关。因此，要使磷吸附工艺投入实际应用，必须对这些参数进行优化。
化学除磷是市政污水厂最常用的除磷方法，但这一般仅适用于出水磷浓度超过1mg/L的情况。当出水磷浓度要低于0.1mg/L的时候，磷吸附更具成本优势（图7）。
图7. 化学沉淀和可逆吸附在不同处理浓度的成本对比作者还对各种可以处理低浓度含磷废水的技术进行对比，这些技术都能将出水磷浓度降至0.15mg/L以下，其中包括了：
- 可逆磷吸附(RAd)：两种规格，一种降至0.1mg/L，一种低至0.016mg/L，都是使用多孔金属氧化物
- Acti-Flo：主要通过投加金属盐，出水磷浓度为0.17mg/L
- Phoslock：一种镧改性膨润土，出水磷低于0.05mg/L
下图8是上边5种技术的成本比较。结果显示，RAd-0.1和Acti-Flo单位成本最低，约为$100-120/kg。但如上所述，要实现这么低的磷浓度，Acti-Flo需要投加大量的金属盐，最终形成大量的污泥。而使用可逆磷吸附甚至可以使磷浓度低至0.016mg/L，而成本只增加约$70/kg。目前学术界对富营养化的防护成本尚未达成共识。作者参考美国俄亥俄州圣玛丽湖的案例，因为磷负荷过量问题导致的经济损失达到1.02亿美元，每千克磷单位损失约为$1500美元。这么估算的话，磷吸附是有经济效益的，因此作者认为利益相关者和决策者需要进行具体评估，制定合适的限值以防止富营养化的发生。
通过成本解析，以及和其他技术的横向对比，这篇综述报告展示了超低浓度磷吸附技术在特定范围的经济适用性，但同时也反映了目前该技术的关键参数在研究和应用之间的差距，包括了吸附剂的实际负荷能力及其再生能力。这些问题都会影响磷吸附技术的工程应用前景。
综述文章的第一作者Kumar博士早在2017就和Wetsus的团队提出一种名为NaFRad的超低浓度除磷方法。它结合了自然絮凝(Natural Flocculation)和可逆吸附（Reversible Adsorption），可以污泥最小化的情况下去除颗粒杂质和可溶性磷酸盐，并对后者进行回收农用。Kumar博士的博士论文题为《通过可逆吸附从污水中回收磷（Phosphate recovery from wastewater via reversible adsorption）》，这篇关于超低浓度磷吸附的综述就是他博士论文的其中一章。
Adsorption as a technology to achieve ultra-low concentrations of phosphate: Research gaps and economic analysis，Author links open overlay panel，Prashanth SureshKumar，LeonKorving，Mark C.M.van Loosdrecht，Geert-JanWitkamp，Water Research X, Volume 4, 1 August 2019, 100029
