本文根據(jù)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院環(huán)境工程教授俞漢青在2014（第二屆）中國環(huán)保技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)會——“概念廠·水未來”分論壇發(fā)言整理。

大家好！

非常高興有這樣的機(jī)會，就基于能源與資源，展望污水處理工藝發(fā)展的新趨勢這一選題，跟各位嘉賓共享這方面的進(jìn)展。

城市污水中的能源與資源

現(xiàn)有的污水處理工藝，都會消耗大量的外部能源和資源。與此同時，由于低碳經(jīng)濟(jì)、全球變暖等因素，促使我們一方面要考慮減少能耗物耗，一方面又希望減少可能的新的污染物。然而，實際上不管用哪種處理方法，污水處理二氧化碳的排放量基本是不變的，也就是說，并不是如原來許多人希望的那樣，新的污水處理技術(shù)可以直接減少碳排放。但是，近年來大家都形成了一個共識，包括新概念水廠，大家都認(rèn)為污水是一個重要的可再生資源，應(yīng)該把它耗能耗物這一基本屬性，轉(zhuǎn)變成從污水中可以回收點什么。其實，最主要還是回收水，通過處理得以回收清潔水，另一方面我們也希望回收資源和能源。在現(xiàn)有的城市污水處理中，我們抱著完全礦化的態(tài)度，要把磷變成磷酸鹽等，要把這種被動的污染物處理轉(zhuǎn)變成新的工藝、技術(shù)、方法和設(shè)備，這是從理念轉(zhuǎn)化的角度來講。

具體到我們現(xiàn)在所了解的，從城市污水要進(jìn)行資源化或者能源化處理，一個是把中間的碳源以各種形式回收，最現(xiàn)實的做法是把碳源回收成可利用的甲烷，也可以做一些其他方面的嘗試，比如通過藻類產(chǎn)油，另外把污水中的氮磷通過礦物質(zhì)加以回收。

國內(nèi)外城市污水處理廠的能源與資源回收狀況

針對城市污水的能源和資源回收，國內(nèi)外城市污水處理廠的能源與資源回收狀況如下：

污水中資源化的技術(shù)途徑

污水回用

首先是水的回收，處理過的生活污水放在蓄水塘，經(jīng)過土壤入滲補(bǔ)助地下含水層，然后地下水再用水井抽出來作所謂的間接飲用，這種方法已有五十年以上的歷史，在美國已經(jīng)做得很成功，而在中國是慎用的。如美國加州的Orange County污水廠將處理好的水放在蓄水塘之后引入地下，由此誕生了“深度處理--微濾+反滲透+UV+雙氧水”的污水處理。

新加坡NEWater在海水淡化和再生水方面積累了豐富的經(jīng)驗。此外，還有一些規(guī)模較小的新理念和新技術(shù)，如紐約的綠色屋頂，可以澆灌植物，荷蘭也有相似的技術(shù)。

氮、磷、硫回用

有些國家還嘗試過把污泥中的氮通過一系列方法加工成肥料進(jìn)行回收，但這種方法目前成本偏高。因為現(xiàn)有的氮肥生產(chǎn)成本遠(yuǎn)低于回收氮的成本，所以回收污泥中氮作為肥料的做法目前尚不實用。

有機(jī)物回收

關(guān)于有機(jī)物的回收，若干年前就有很多人做過，尤其是清華大學(xué)的陳國強(qiáng)教授、江南大學(xué)的陳堅教授等，做了很多工作。我們也曾嘗試把污水中的有機(jī)碳變成塑料，加工成調(diào)羹送給朋友，說是污水做的，結(jié)果無人用它。這些技術(shù)的價格太昂貴，在生產(chǎn)過程中要消耗非常多的能量，尤其要添加一些氯仿這類不環(huán)保的溶劑。因此，開始的生物加工出發(fā)點是好的，但接下來的過程對環(huán)境并不友好，而且成本高昂。

海藻素提取

我們也曾從污水中提取出海藻素，現(xiàn)在有很多人也在做。但我個人認(rèn)為其實際應(yīng)用并不現(xiàn)實。我們經(jīng)常強(qiáng)調(diào)海藻素的市場成本，但從污泥中提煉出來的成本，跟我們賣的標(biāo)準(zhǔn)品價格根本是不能比的。

能源回收技術(shù)

此前，陳珺（江蘇宜興環(huán)保產(chǎn)業(yè)研究院總工程師——編者注）曾提到過協(xié)同厭氧，“協(xié)同”現(xiàn)在這個詞用得很多，就是因為城市污水處理廠由于自身含有的有機(jī)碳不足，要想達(dá)到一定目標(biāo)必須要協(xié)同起來做事情。比如熱電聯(lián)產(chǎn)，現(xiàn)在西方也非常流行，包括陳珺提到的奧地利和德國的一些污水處理廠。污泥的厭氧消化，現(xiàn)在國際上很多環(huán)保公司都在花比較大的力氣去做。它有若干優(yōu)點，包括提高厭氧消化的產(chǎn)氣率，提高污泥無害化的程度，提高污泥的脫水效果等。

另外就是光能的利用，下列圖片是德國的曼海姆污水處理廠光能回收技術(shù)圖�，F(xiàn)在國內(nèi)也有若干個污水處理廠正在跟一些生產(chǎn)光能的公司商談。

鳥糞石法回收磷的工藝已經(jīng)成熟。總體來說，利用磷石的方法回收磷大家已達(dá)成共識，但是近幾年有專家的研究表明，從污水中回收的未必一定是鳥糞石，因為我們收回來的這些含磷混合物可作為磷礦物資源使用。

城市污水能源與資源回收的幾項關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展

污水處理廠污染物的物質(zhì)流及能耗

我們要談一下處理廠回收的能源和資源，首先要搞清楚污水處理廠現(xiàn)在有哪些物質(zhì)，物質(zhì)的流又是什么的。污水中的COD、氮、磷等要素，經(jīng)現(xiàn)有的工藝進(jìn)行處理，可以計算得出，進(jìn)入污泥的有機(jī)碳目前大概是30%，磷有90%，其他有各種各樣的歸宿，這是從物質(zhì)流的角度來看的。而從能量的角度來看，不同的污水處理廠、不同的工藝有很大的差異，只有對污水處理廠的物質(zhì)流和能量流有了認(rèn)識和了解，收集到物質(zhì)和能量基本的分布或量化信息之后，就會明白現(xiàn)有的城市污水處理廠要真正進(jìn)行資源化處理，應(yīng)該解決哪些技術(shù)上的難題。

城市污水資源化處理的技術(shù)難題

第一是充氧效率的提高；第二是能源回收，這主要面臨著幾方面的問題，一個是污水有機(jī)碳的富集，二是如何把收集好的有機(jī)碳提高厭氧轉(zhuǎn)化；第三是礦物的回收，包括磷的有效回收；第四是污水處理廠要有很好的方法保證它能夠運行，在中國這個問題尤其嚴(yán)重。

充氧效率的提高

概括來說，充氧效率的提高，對于處理工藝而言，一個是精確曝氣，一個是精準(zhǔn)曝氣，也就是針對污水處理過程中，某一個階段或者某一個要去除的物質(zhì)更好地控制曝氣量，降低能耗。但實際上除此之外，還有一些方法，比如納米氣泡曝氣，日本在這方面做了很多方面的研究，氣泡在水中存在的時間長，傳質(zhì)效率高，比表面積巨大，還可以降低曝氣的能耗，而潛在問題是曝氣系統(tǒng)的堵塞，需要更多的研究才能實用化。

污水有機(jī)碳的富集

污水中有機(jī)碳的富集有兩種方式：一種是物理化學(xué)的方式，一種是生物法。物理化學(xué)的方式就是萃取、吸附，最現(xiàn)實的是生物膜技術(shù)，能夠有效地把城市污水中的有機(jī)碳較好地富集起來。陳珺多次提到AB法，實際上是有效地把廢水中的有機(jī)碳在短時間內(nèi)高效地加以富集。此外，還可以把污泥適當(dāng)活化以后再吸附，但是這樣的效果有限，對溶解性效率比較差，還存在COD吸脫附的問題。

污泥厭氧消化效率的提高

我國污水廠污泥的厭氧消化存在有機(jī)物含量低、無機(jī)沙粒含量高、污泥能量密度高、甲烷回收率低等問題，但這些問題并不是沒有解決方案。如果是合流制，污水中含沙量比較高，為提高污泥有機(jī)質(zhì)含量，可以在進(jìn)水口對泥沙顆粒進(jìn)行分離，實現(xiàn)管網(wǎng)的雨污分離。污泥厭氧消化的改進(jìn)技術(shù)，從近年來的研究和實踐來看，納米零價鐵可以應(yīng)用在厭氧消化過程中。納米零價鐵粒徑小、體表面積大、活性高，本身及其產(chǎn)物對環(huán)境無害，且價廉易得。另外一個問題是污泥的強(qiáng)化脫水，現(xiàn)在一個重要的研究方向就是要把微生物表面的胞外多聚物EPS降解，釋放結(jié)合水，這另一方面也有利于降低細(xì)胞的穩(wěn)定性，釋放內(nèi)部結(jié)合水，還可以降低表面張力，這方面最近也引起了人們的興趣。從廢水富集到有機(jī)碳，再進(jìn)行污泥的厭氧消化回收能源，我們很有希望看到顯著的改進(jìn)效果。

低濃度磷的有效回收

再談磷的問題，低濃度磷的有效回收。下圖這張圖講的是全球?qū)α椎男枨螅瑢�這個問題可以清晰的闡述：工業(yè)采礦富集到2025年將達(dá)到高峰期，之后全世界的磷礦將被耗盡。這個圖很清晰地地解釋了從污水中回收磷的做法將是挽救全球糧食生產(chǎn)的唯一途徑。所以，一位專家曾講過，用原子能、核能能夠代替煤的發(fā)電，但是現(xiàn)在卻找不到可以能夠代替磷的物質(zhì)。因此，從這個角度來講，城市污水中磷的回收是人心所向、大勢所趨。但對這件事我個人有點懷疑，從1噸水中回收3克磷是否值得？如何提高磷的回收效率？目前關(guān)于磷的回收技術(shù)，基本上都是圍繞加鈣、加鎂來做的。

污水生物脫氮

污水脫氮是近40年來環(huán)境工程界最活躍的研究領(lǐng)域，如果對這個關(guān)鍵詞進(jìn)行檢索的話，跟氮有關(guān)的方面研究工作非常多，也不斷取得進(jìn)展，如：反硝化脫氮、硝化、亞硝化、甲醇反硝化、短程反硝化等等，這讓我們看到了希望。然而，目前污水處理面臨非常大的技術(shù)瓶頸就是氮的脫除和回收。

關(guān)于厭氧氨氧化的發(fā)現(xiàn)有個故事。20世紀(jì)80年代末到90年代初，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)Kuenen教授指導(dǎo)的學(xué)生Mulder，在運行一個三級反應(yīng)器系統(tǒng)時，觀察到第二級硫化床反應(yīng)器中的氮“不知去向地”出現(xiàn)大流失了。他們結(jié)合1977年奧地利理論學(xué)家Broda的化學(xué)熱力學(xué)預(yù)測，在國際上首次發(fā)現(xiàn)了Anammox（厭氧氨氧化菌）�，F(xiàn)在應(yīng)該說歐洲人走在了Anammox方面研究和應(yīng)用的前列，而且他們正在做各種各樣的有趣的嘗試，讓我們看到在主流工藝上應(yīng)用Anammox的可能性。與此同時，美國也在做這方面的嘗試，也試圖在主流工藝上使用Anammox。但是，Anammox要真的在主流工藝上進(jìn)行應(yīng)用，還要解決一系列富有挑戰(zhàn)性的問題。第一個是低溫條件下的高效穩(wěn)定運行；第二個是如何在高碳氮比不太協(xié)調(diào)的情況下，或者低氮濃度以及低溫環(huán)境下淘汰或者移植異常反硝化菌和NOB；還有如何保證Anammox菌在反應(yīng)器內(nèi)有足夠的生物停留時間，從而抵消其低生長速率的影響。針對這些問題，國際上也做過一些相應(yīng)的嘗試，最近發(fā)現(xiàn)溫度低沒有太大的關(guān)系，如果控制好的話Anammox還可以運行，但是Anammox的效率會有所下降。我們可以借助厭氧和厭氧氨氧化污泥顆�；�技術(shù)的進(jìn)步，實現(xiàn)主流工藝的厭氧氨氧化。

關(guān)于污水中氮的去除我有些思考：是否應(yīng)該污水脫氮？至少是不是在所有地方都應(yīng)該對氮有很嚴(yán)格的要求？如果使用在農(nóng)田或園林灌溉中，氮的存在是有意義的。另外一個原因就是成本太高，包括現(xiàn)在的投加碳源技術(shù)。還有水體的生物固氮，藻類細(xì)菌每天輸入水體中的氮可能超過我們污水處理廠脫除的氮。再者，現(xiàn)在我國的大氣氮沉降也很嚴(yán)重，其導(dǎo)致水體中氮含量的增加也不容小視。如果說一定要污水脫氮，現(xiàn)有的方法是生物脫氮，但現(xiàn)在看來生物脫氮較難，是不是可以用其他化學(xué)的方法脫氮？如使用新的氮吸附劑？

關(guān)于好氧顆粒污泥，1991年日本和韓國分別有文章發(fā)表最早提出好氧顆粒污泥的概念，當(dāng)時反應(yīng)器用的是純氧曝氣。90年代末期，有幾個小組做得比較好，后來把好氧工作做得最有影響力、真正讓好氧顆粒污泥被更多人喜歡乃至接受的，應(yīng)該是Mark van Loosdrecht教授。新加坡的鄭俊華和劉雨小組、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)環(huán)境工程實驗室也開展了多年的好氧顆粒污泥研究。van Loosdrecht提出好氧顆粒污泥的判別標(biāo)準(zhǔn)為：污泥平均顆粒大于0.2毫米即為好氧顆粒污泥。實際上這個說法值得商榷。顆粒和絮體相比，從比重、大小、沉降速度和生物活性來看，顆粒有很多優(yōu)勢，顆�？梢蕴岣吖桃悍蛛x效率，出水水質(zhì)好，節(jié)約占地和投資，這是好氧顆粒帶來的好處�，F(xiàn)在從工程應(yīng)用角度來說，荷蘭做得比較成功的污水廠，是EPE污水廠，這個廠跟荷蘭其他的污水處理廠從能耗上相比，展現(xiàn)了不少優(yōu)點。但是好氧顆粒在中國用起來還是比較困難的。這個頁面是江南大學(xué)王碩博士提供的，從這上面可以看出好氧顆粒在各個階段的應(yīng)用條件。歐洲人已經(jīng)利用COD濃度為500毫克/升的污水培養(yǎng)出好氧顆粒，而我們在合肥利用COD濃度為180毫克/升的污水培養(yǎng)顆粒就非常艱難。現(xiàn)在，在中國城市污水處理應(yīng)用好氧顆粒技術(shù)存在一系列的問題，如進(jìn)水水量不穩(wěn)定、進(jìn)水水質(zhì)不穩(wěn)定等。因此，真的要在中國用好氧顆粒處理城市污水，還有許多工作要去做。

城市污水能源與資源回收技術(shù)和可能的工藝展望

最后做一點展望，這個頁面是王凱軍老師提供的。其中有UP concentration，一些技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用還在實驗室階段。

那為什么要有其他的回收方式？我們可以直接把污水作為能源用來產(chǎn)電的話，效率可以提高。有機(jī)廢水或者城市污水有沒有可能用來直接產(chǎn)電？這個圖中的微生物燃料電池的基本原理跟化學(xué)燃料電池是一樣的，最大的差別就是它的陽級催化劑，且是由污水作為原料。目前來說，微生物燃料電池真正用污水處理還有很長的路要走，還有很多困難要克服。

另外是基于Anammox的工藝路線，基本上無論是Anammox跟AB法的合用也好或是其他方式，上下兩個圖可以把基本思路概括出來。Anammox用在城市污水處理，還有很多問題要解決，不是在實驗室嘗試就能真正做起來。

MCCarty教授今年夏天來到中國時，曾在哈爾濱、北京做過報告。他2011年在ES&T上發(fā)表過一篇對城市污水影響很大的文章，講能不能利用用厭氧技術(shù)直接對城市污水進(jìn)行處理。他跟韓國的小組、新加坡南洋理工大學(xué)合作，做了一些污水處理能源的核算，希望把城市污水直接用厭氧就似乎進(jìn)行處理。按照他的說法，應(yīng)該是COD到一定的濃度，在一定的氣候條件下，這可能是最好的選擇。但幾十萬噸污水的加熱是一個大問題，且30%以上的甲烷會隨著出水流出去，不能回收。再有中國的城市污水處理廠在運行管理上比西方更加困難。

謝謝各位，我今天的發(fā)言就到這里。這個報告高嵩院長及其團(tuán)隊有很大的貢獻(xiàn)，也謝謝他們。