污水处理中污染物的回收利用技术解析

导读： 一座中国的日处理量十万吨的污水处理厂，通过应用新技术，每年可以贡献180万美元的利润，而应用常规工艺，每年则要消耗460万美元的成本。那么是什么会加快“资源工厂”的到来?

3月22日是世界水日，今年的主题是why waste water，我们特别推出俞汉青教授在2015年发表在《nature》上的一篇文章。“污水是资源”在近年来已经成为行业共识。在这篇文章中，俞汉青教授以技术语言为读者描绘了这样的图景:一座中国的日处理量十万吨的污水处理厂，通过应用新技术，每年可以贡献180万美元的利润，而应用常规工艺，每年则要消耗460万美元的成本。那么是什么会加快“资源工厂”的到来?在俞老师看来，政府的经济政策，产业政策和技术引导至关重要。

前言

对生活和工业废水进行适当处理并进行饮用、灌溉等再利用，其成本是昂贵的。仅处理来自烹饪、洗涤、清洁和卫生的家庭灰水，就要占据全球3%的电力消耗，并释放全球5%的非二氧化碳温室气体排放(主要是甲烷)。

工业废水的处理成本更高。随着世界人口的增长，发展中国家逐渐执行更严格的水质标准，这些成本将在未来十年继续增加。如果能从废水中捕获有价值的化学品，包括碳、氮和磷，将能回收一些经济成本。例如，污水处理厂可以利用甲烷产生电力而不是单纯消耗它。采用新兴技术可以有效回收磷肥和铵肥料。

但是，是什么阻碍了“废水资源工厂”的建立?工艺不确定性、哪些技术是最有用的，以及如何进行技术组合，都可能成为前进道路上的绊脚石。本文概述了对生活污水中的污染物进行回收再利用的方案，如何将如今每年需花费数百万美元的污水处理厂摇身一变为每年产值超过100万美元的能源大户。如果能将类似的方案应用于更多样化的工业废水，将会带来更多的好处。

废水中的价值

生活污水中有我们日常生活产生的各种废弃物，粪便、脂肪、食物残渣、洗涤剂和药物。在化学方面，1立方米的生活废水含有300～600g COD，40～60g氮(以铵和有机化合物的形式)，5～20g磷(磷酸盐和有机化合物)，10～20g硫(主要是硫酸盐)和痕量的重金属离子。

在过去的一个世纪，大部分生活废水都使用好氧的“活性污泥法”进行处理，在氧气和细菌的共同作用下，氧化污染物,这种方法简单，对除去有机化合物、氮和磷有效。但活性污泥法消耗巨大的能源，并释放碳足迹。一个10万吨/天的中型的污水处理厂消耗的电力与中国城镇5000人(每立方米废水约0.6KWh)相当，并且每天的碳足迹相当于6000辆家用汽车的二氧化碳排放量。

最关键的是，废水中有机物所含的能量被大量浪费，氮和磷都是制造肥料的原材料。通过加入钙、铁或铝盐沉淀，90%的磷最终掩埋在填埋场中，这种沉淀物不能被植物吸收，并且经常还受到有毒金属污染。同样，超过80%的氮通过微生物转化为氮气而损失。该过程还产生大量的“湿污泥”(5～10千克每立方米处理水)。干燥和处置(在陆地或填埋场)或焚烧这些污泥占处理设施总成本的30～50%。

一些污水厂对污泥进行厌氧消化。在缺氧的情况下，微生物将复杂的有机物质分解成更简单的有机分子，然后将其转化为甲烷。通过燃烧甲烷以产生电和热，厌氧消化可抵消活性污泥法20~30%的能量和温室气体成本。但消化过程缓慢，通常需要10～20天。

新兴工艺的发展

将厌氧工艺直接应用于生活废水可以完全逆转这些成本，甚至产生过量的能量，但是目前在环境温度和低浓度的有机物下，厌氧工艺是不适用的。两种新技术正在尝试进行这方面的突破。第一种技术是厌氧膜生物反应器(AnMBR)。它使用多孔膜来滞留和浓缩固体(包括颗粒有机物质和产生甲烷气体的缓慢生长的微生物)和污水中90%以上的溶解有机物。通过延长材料的降解时间，每立方米污水可产生25～100%的甲烷。然后，可以通过气体或真空技术对90%以上的溶解态甲烷进行提取(浓度为10～20毫克/升)，整个过程的耗能仅需要0.05KWh/m3。

AnMBR技术已在几个案例中成功用于生活污水处理。韩国富川污水处理厂已经运行了2年多，日处理量为12立方米。将AnMBR技术进行大规模工程化应用的最大挑战是“膜堵塞”或“膜污染”。使用气泡或流化颗粒活性炭冲洗膜表面，需要耗能0.2~0.6KWh/m3，基本与活性污泥法的能耗相当。

第二种技术是微生物电化学电池(MXC)，其以微生物燃料电池的模式直接产生电力，或者在微生物电解电池中产生富含能量的化学物质，例如氢气。MXCs利用一些细菌的能力，当它们代谢有机物质时，通过其细胞膜将电子转移到外部的受体。如果传递到燃料电池的阳极，则电子可以传递电流。

MXC的产品——电或氢气——比甲烷更有价值，并且易于使用。但所涉及的反应过程缓慢(需要几天)。一个提议是将MXC与AnMBR集成，以加速有机物质的转化，同时产生甲烷和电或氢。

但是目前的MXC在工程化应用上表现不佳。扩大或堆叠多个单元增加了它们的电阻并降低了可以回收能量的效率。据报道，英国Howdon的一个120升微生物电解池盒，其回收的电能输入不到氢气的一半;另一个安装在中国哈尔滨的250升微生物燃料电池单元，只能将有机物质中7%的能量转化为电能。

营养物的回收

氮和磷的情况怎样呢?厌氧处理工艺将氮和磷转换为铵离子和磷酸根离子排放到出水中，出水可用于灌溉附近的田地。但更有价值的氮和磷是可以储存和运输的形式。一种选择是鸟粪石，鸟粪石是一种通过添加镁和石灰沉淀的缓释肥料。污泥或家畜废水中发现的磷酸盐和铵的浓度一般较高(数百毫克每升)，但是生活废水中的浓度较低。

两种新兴技术——离子交换和电渗析——可以捕获、浓缩磷和氮，足以从出水中回收作为鸟粪石。在离子交换中，磷酸根离子与阴离子(例如碳酸盐)交换，或铵离子与阳离子(例如钠离子)交换，最后被诸如铁基氢氧化物、沸石和聚合物的材料吸附。在电渗析中，电场和膜基于电荷和尺寸的差异将磷和氮离子与其他离子分离。

编辑：赵凡