干貨：污水處理中污染物的回收利用技術解析

時間：2017-03-27 來源：中宜環科環保產業研究 作者：張婧怡

導讀： 一座中國的日處理量十萬噸的污水處理廠，通過應用新技術，每年可以貢獻180萬美元的利潤，而應用常規工藝，每年則要消耗460萬美元的成本。那么是什么會加快“資源工廠”的到來?

3月22日是世界水日，今年的主題是why waste water，我們特別推出俞漢青教授在2015年發表在《nature》上的一篇文章。“污水是資源”在近年來已經成為行業共識。在這篇文章中，俞漢青教授以技術語言為讀者描繪了這樣的圖景:一座中國的日處理量十萬噸的污水處理廠，通過應用新技術，每年可以貢獻180萬美元的利潤，而應用常規工藝，每年則要消耗460萬美元的成本。那么是什么會加快“資源工廠”的到來?在俞老師看來，政府的經濟政策，產業政策和技術引導至關重要。

前言

對生活和工業廢水進行適當處理并進行飲用、灌溉等再利用，其成本是昂貴的。僅處理來自烹飪、洗滌、清潔和衛生的家庭灰水，就要占據全球3%的電力消耗，并釋放全球5%的非二氧化碳溫室氣體排放(主要是甲烷)。

工業廢水的處理成本更高。隨著世界人口的增長，發展中國家逐漸執行更嚴格的水質標準，這些成本將在未來十年繼續增加。如果能從廢水中捕獲有價值的化學品，包括碳、氮和磷，將能回收一些經濟成本。例如，污水處理廠可以利用甲烷產生電力而不是單純消耗它。采用新興技術可以有效回收磷肥和銨肥料。

但是，是什么阻礙了“廢水資源工廠”的建立?工藝不確定性、哪些技術是最有用的，以及如何進行技術組合，都可能成為前進道路上的絆腳石。本文概述了對生活污水中的污染物進行回收再利用的方案，如何將如今每年需花費數百萬美元的污水處理廠搖身一變為每年產值超過100萬美元的能源大戶。如果能將類似的方案應用于更多樣化的工業廢水，將會帶來更多的好處。

廢水中的價值

生活污水中有我們日常生活產生的各種廢棄物，糞便、脂肪、食物殘渣、洗滌劑和藥物。在化學方面，1立方米的生活廢水含有300～600g COD，40～60g氮(以銨和有機化合物的形式)，5～20g磷(磷酸鹽和有機化合物)，10～20g硫(主要是硫酸鹽)和痕量的重金屬離子。

在過去的一個世紀，大部分生活廢水都使用好氧的“活性污泥法”進行處理，在氧氣和細菌的共同作用下，氧化污染物,這種方法簡單，對除去有機化合物、氮和磷有效。但活性污泥法消耗巨大的能源，并釋放碳足跡。一個10萬噸/天的中型的污水處理廠消耗的電力與中國城鎮5000人(每立方米廢水約0.6KWh)相當，并且每天的碳足跡相當于6000輛家用汽車的二氧化碳排放量。

最關鍵的是，廢水中有機物所含的能量被大量浪費，氮和磷都是制造肥料的原材料。通過加入鈣、鐵或鋁鹽沉淀，90%的磷最終掩埋在填埋場中，這種沉淀物不能被植物吸收，并且經常還受到有毒金屬污染。同樣，超過80%的氮通過微生物轉化為氮氣而損失。該過程還產生大量的“濕污泥”(5～10千克每立方米處理水)。干燥和處置(在陸地或填埋場)或焚燒這些污泥占處理設施總成本的30～50%。

一些污水廠對污泥進行厭氧消化。在缺氧的情況下，微生物將復雜的有機物質分解成更簡單的有機分子，然后將其轉化為甲烷。通過燃燒甲烷以產生電和熱，厭氧消化可抵消活性污泥法20~30%的能量和溫室氣體成本。但消化過程緩慢，通常需要10～20天。

新興工藝的發展

將厭氧工藝直接應用于生活廢水可以完全逆轉這些成本，甚至產生過量的能量，但是目前在環境溫度和低濃度的有機物下，厭氧工藝是不適用的。兩種新技術正在嘗試進行這方面的突破。第一種技術是厭氧膜生物反應器(AnMBR)。它使用多孔膜來滯留和濃縮固體(包括顆粒有機物質和產生甲烷氣體的緩慢生長的微生物)和污水中90%以上的溶解有機物。通過延長材料的降解時間，每立方米污水可產生25～100%的甲烷。然后，可以通過氣體或真空技術對90%以上的溶解態甲烷進行提取(濃度為10～20毫克/升)，整個過程的耗能僅需要0.05KWh/m3。

AnMBR技術已在幾個案例中成功用于生活污水處理。韓國富川污水處理廠已經運行了2年多，日處理量為12立方米。將AnMBR技術進行大規模工程化應用的最大挑戰是“膜堵塞”或“膜污染”。使用氣泡或流化顆�；钚蕴繘_洗膜表面，需要耗能0.2~0.6KWh/m3，基本與活性污泥法的能耗相當。

第二種技術是微生物電化學電池(MXC)，其以微生物燃料電池的模式直接產生電力，或者在微生物電解電池中產生富含能量的化學物質，例如氫氣。MXCs利用一些細菌的能力，當它們代謝有機物質時，通過其細胞膜將電子轉移到外部的受體。如果傳遞到燃料電池的陽極，則電子可以傳遞電流。

MXC的產品——電或氫氣——比甲烷更有價值，并且易于使用。但所涉及的反應過程緩慢(需要幾天)。一個提議是將MXC與AnMBR集成，以加速有機物質的轉化，同時產生甲烷和電或氫。

但是目前的MXC在工程化應用上表現不佳。擴大或堆疊多個單元增加了它們的電阻并降低了可以回收能量的效率。據報道，英國Howdon的一個120升微生物電解池盒，其回收的電能輸入不到氫氣的一半;另一個安裝在中國哈爾濱的250升微生物燃料電池單元，只能將有機物質中7%的能量轉化為電能。

營養物的回收

氮和磷的情況怎樣呢?厭氧處理工藝將氮和磷轉換為銨離子和磷酸根離子排放到出水中，出水可用于灌溉附近的田地。但更有價值的氮和磷是可以儲存和運輸的形式。一種選擇是鳥糞石，鳥糞石是一種通過添加鎂和石灰沉淀的緩釋肥料。污泥或家畜廢水中發現的磷酸鹽和銨的濃度一般較高(數百毫克每升)，但是生活廢水中的濃度較低。

兩種新興技術——離子交換和電滲析——可以捕獲、濃縮磷和氮，足以從出水中回收作為鳥糞石。在離子交換中，磷酸根離子與陰離子(例如碳酸鹽)交換，或銨離子與陽離子(例如鈉離子)交換，最后被諸如鐵基氫氧化物、沸石和聚合物的材料吸附。在電滲析中，電場和膜基于電荷和尺寸的差異將磷和氮離子與其他離子分離。

這兩種技術目前仍在進行小規模調試。種種問題包括，無法從交換器中完全回收離子;交換器或膜被有機物阻塞;濃縮物被鹽污染;以及高昂的成本問題。例如，目前膜的價格是每平方米數百美元。并且磷和氮的電滲析提取(以90%的回收率)大約分別消耗0.23KWh/m3和0.14KWh/m3，大約是活性污泥法消耗能量的三分之二。使用MXC可通過發電部分抵消能量輸入，但微生物和生物分子將加重膜污染。

特別是從廢水中進行氮回收會產生全球影響。在實驗室中，相較于磷的提取，氮的提取所受的關注較少，因為大氣中的氮氣很容易還原合成氮肥。但是所涉及的過程——固氮Haber-Bosch工藝——是高耗能工藝：它甚至占到世界年能源使用量的百分之幾。只要取代現有5%的氮肥生產，就可以節省超過50太瓦時的能源，相當于節省中國每年1.5%的電力消耗。

污泥是來自廢水中微生物生長所產生的糞便、纖維和其他固體等生物質，污泥是含有氮和磷的一種厭氧消化副產物。如果它們在厭氧處理過程中穩定(以避免產生甲烷氣體或氣味)和解毒(無病原體或危險化學品)，則它們可以直接施用于土壤。美國將55%的經過處理的污泥回用于土地，但是這種做法受到來自公眾和監管壓力，因為污泥難以完全穩定和解毒，還會有重金屬積累。

熱處理使污泥更容易使用，且更安全。它能殺死病原體，提高營養物存留并減少重金屬釋放。使用燃燒甲烷產生的熱量可進一步降低能耗，但是污泥的安全性仍需要在更大規模應用上進一步改進和評價。

污水廠的最終產品是水，水具有巨大的經濟價值：全球飲用水的平均價格為每立方米2美元。不同的使用目的需要不同質量的水——從最干凈的飲用水到用于冷卻或工業用途的較低質量的水。所以，處理工藝也需要相應變化。在中國，只有15%的處理過的水得以回用，而高達98%的飲用水進入市政和工業用水領域，而其實這些領域并不需要如此高質量的水。我們需要一個具有“適用性”的處理和回用水策略。

經濟利益

據估計，為中國約50萬人口的城市提供服務的生活污水處理廠的日處理量為100,000立方米/天。我們計算，資源工廠每天可以產生約17,000KWh的電能，回收1噸磷和5噸氮，并回收1000立方米的飲用水。相比之下，相同規模的活性污泥設備(具有厭氧消化)將消耗50,000KWh的電能并且不回收磷或氮。因此，資源工廠每天可以節省67,000KWh(這是沒有考慮化肥生產節省的能源)，這相當于城市每日用電量的1.5%。

我們估計，這種資源工廠每年可以產生180萬美元的利潤(不包括建筑成本)，而活性污泥處理廠每年的成本為460萬美元。這意味著即使只將1%的回用水處理為飲用水進行出售，相對于完全沒有飲用水出售的情況，利潤就能提高十倍。

農業、食品和石油化工行業的工業廢水的經濟效益可能更高。例如，AnMBR工藝可以從石化廢水中去除高達98%的有機質(約18千克/立方米)，比處理生活廢水產生的甲烷多100倍。畜牧廢水富含有機分子和磷，成為能源和肥料的重要潛在來源。

政府的支持對于發展廢水資源工廠和促進可持續水資源市場至關重要。在接下來的十年中，從化石燃料能源和當前加工方法中提取廢水資源的成本仍將昂貴。為什么?因為環境成本尚未納入定價，新興污水回用技術尚未從規模經濟中實現明顯獲益。優先權究竟落在誰手，將隨著能源、資源和全球變暖壓力的加劇而易主。

下一步應該如何做?各國政府必須建立包括廢物處置和溫室氣體排放成本的監管框架。他們必須投資于商業前期或早期采用技術的規模示范;對回收產品的銷售進行補貼;并提高利用再循環資源概念可產生的利益。

政府和企業應提供有針對性的研究資金以及土地和基礎服務設施。為確保產品的適用性，技術開發必須廣泛吸納來自監管機構、污水處理設施的管理運營人員、工程師、研究人員和公眾的意見。

國家政策制定要適合當地環境、經濟和社會條件。工業化國家在取代老化處理設施時應當整合新興工藝。中國和印度等新興經濟體應該在擴大其水處理能力時應在全球經濟體內開展合作。