技术解析|污水处理中污染物的回收利用

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。

这两种技术目前仍在进行小规模调试。种种问题包括，无法从交换器中完全回收离子;交换器或膜被有机物阻塞;浓缩物被盐污染;以及高昂的成本问题。例如，目前膜的价格是每平方米数百美元。并且磷和氮的电渗析提取(以90%的回收率)大约分别消耗0.23KWh/m3和0.14KWh/m3，大约是活性污泥法消耗能量的三分之二。使用MXC可通过发电部分抵消能量输入，但微生物和生物分子将加重膜污染。

特别是从废水中进行氮回收会产生全球影响。在实验室中，相较于磷的提取，氮的提取所受的关注较少，因为大气中的氮气很容易还原合成氮肥。但是所涉及的过程——固氮Haber-Bosch工艺——是高耗能工艺：它甚至占到世界年能源使用量的百分之几。只要取代现有5%的氮肥生产，就可以节省超过50太瓦时的能源，相当于节省中国每年1.5%的电力消耗。

污泥是来自废水中微生物生长所产生的粪便、纤维和其他固体等生物质，污泥是含有氮和磷的一种厌氧消化副产物。如果它们在厌氧处理过程中稳定(以避免产生甲烷气体或气味)和解毒(无病原体或危险化学品)，则它们可以直接施用于土壤。美国将55%的经过处理的污泥回用于土地，但是这种做法受到来自公众和监管压力，因为污泥难以完全稳定和解毒，还会有重金属积累。

热处理使污泥更容易使用，且更安全。它能杀死病原体，提高营养物存留并减少重金属释放。使用燃烧甲烷产生的热量可进一步降低能耗，但是污泥的安全性仍需要在更大规模应用上进一步改进和评价。

污水厂的最终产品是水，水具有巨大的经济价值：全球饮用水的平均价格为每立方米2美元。不同的使用目的需要不同质量的水——从最干净的饮用水到用于冷却或工业用途的较低质量的水。所以，处理工艺也需要相应变化。在中国，只有15%的处理过的水得以回用，而高达98%的饮用水进入市政和工业用水领域，而其实这些领域并不需要如此高质量的水。我们需要一个具有“适用性”的处理和回用水策略。

经济利益

据估计，为中国约50万人口的城市提供服务的生活污水处理厂的日处理量为100,000立方米/天。我们计算，资源工厂每天可以产生约17,000KWh的电能，回收1吨磷和5吨氮，并回收1000立方米的饮用水。相比之下，相同规模的活性污泥设备(具有厌氧消化)将消耗50,000KWh的电能并且不回收磷或氮。因此，资源工厂每天可以节省67,000KWh(这是没有考虑化肥生产节省的能源)，这相当于城市每日用电量的1.5%。

我们估计，这种资源工厂每年可以产生180万美元的利润(不包括建筑成本)，而活性污泥处理厂每年的成本为460万美元。这意味着即使只将1%的回用水处理为饮用水进行出售，相对于完全没有饮用水出售的情况，利润就能提高十倍。

农业、食品和石油化工行业的工业废水的经济效益可能更高。例如，AnMBR工艺可以从石化废水中去除高达98%的有机质(约18千克/立方米)，比处理生活废水产生的甲烷多100倍。畜牧废水富含有机分子和磷，成为能源和肥料的重要潜在来源。

政府的支持对于发展废水资源工厂和促进可持续水资源市场至关重要。在接下来的十年中，从化石燃料能源和当前加工方法中提取废水资源的成本仍将昂贵。为什么?因为环境成本尚未纳入定价，新兴污水回用技术尚未从规模经济中实现明显获益。优先权究竟落在谁手，将随着能源、资源和全球变暖压力的加剧而易主。

下一步应该如何做?各国政府必须建立包括废物处置和温室气体排放成本的监管框架。他们必须投资于商业前期或早期采用技术的规模示范;对回收产品的销售进行补贴;并提高利用再循环资源概念可产生的利益。

政府和企业应提供有针对性的研究资金以及土地和基础服务设施。为确保产品的适用性，技术开发必须广泛吸纳来自监管机构、污水处理设施的管理运营人员、工程师、研究人员和公众的意见。

国家政策制定要适合当地环境、经济和社会条件。工业化国家在取代老化处理设施时应当整合新兴工艺。中国和印度等新兴经济体应该在扩大其水处理能力时应在全球经济体内开展合作。

此文根据俞汉青老师2015年12月3日发表在《nature》(VOL528，page29~31)上的文章“Chemistry:Reuse water pollutants”翻译。