變廢為寶還不夠？循環(huán)經(jīng)濟(jì)下的水處理如何走上低碳之路？
來源：奧尼卡水處理創(chuàng)新中心作者：瓦村農(nóng)夫
英國Cranfield大學(xué)的水處理專家Simon Judd教授是著名博客MBR Site的博主，除了介紹MBR工藝之外，他還會(huì)是不是對整個(gè)污水處理行業(yè)的一些新動(dòng)態(tài)做點(diǎn)評(píng)。近年來，世界各國都在推行“循環(huán)經(jīng)濟(jì)”的理念，最近他在博客上發(fā)表了一篇《Waste products? The circular economy in wastewater treatment》的文章，就在污水處理領(lǐng)域?qū)嵺`“循環(huán)經(jīng)濟(jì)”的前景表達(dá)了一些個(gè)人見解。本期，小編對他的文章進(jìn)行翻譯供讀者參考。
原著：Simon Judd 譯者：瓦村農(nóng)夫
循環(huán)經(jīng)濟(jì)時(shí)代的污水處理
變廢為寶這個(gè)想法已經(jīng)不是什么新概念了。有機(jī)廢物的堆肥已經(jīng)存在幾個(gè)世紀(jì)了;回收玻璃容器、鋁罐和塑料飲料瓶已經(jīng)有幾十年歷史了，并且大家覺說它們都是很重要的事。
那么廢水呢?再次，從廢水中回收資源也不是一個(gè)新話題。非直飲式的水回用已經(jīng)非常成熟，有些地區(qū)甚至達(dá)到飲用級(jí)別。實(shí)現(xiàn)的技術(shù)一般是生物處理再加后續(xù)的UV紫外消毒、活性炭吸附和/或反滲透。我們用厭氧硝化技術(shù)將污水污泥源中的有機(jī)碳轉(zhuǎn)化為甲烷也有幾十年歷史了，這些潛在的能量一般通過熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)的方式回收電能和熱能。污泥經(jīng)過巴氏消毒或以其他方式的無害化處理，也可用作肥料 - 盡管這不是普羅大眾接受的最終處置方式。
原則上，污水富含各種資源，包括有機(jī)碳以及其他無機(jī)化合物
除此以外，我們還可以在污水里邊挖掘什么呢?原則上，污水富含各種資源：各種不同的東西通過廁所、下水道和排水溝最終進(jìn)入污水處理廠。除了有機(jī)碳，它還有許多潛在有用的無機(jī)化合物。
首先是氮磷等營養(yǎng)物。磷回收已經(jīng)得到了廣泛的探索，原因有兩個(gè)，第一是世界各地紛紛施行更為嚴(yán)格的磷排放標(biāo)準(zhǔn)，第二是，廢水處理廠收集的污泥固體中的磷潛量巨大。
與磷回收相比，氮的回收有些棘手。 磷因?yàn)榭梢孕纬刹蝗苄怨腆w，例如鳥糞石或磷酸鋁，可從溶液中釋出，氮就不能這么做。污水中的氨氮通常通過硝化和反硝化得以去除，一般通過經(jīng)典的改良Ludzack Ettinger(MLE)法。無機(jī)氨在中性溶液中實(shí)際上以離子形式存在，因此原則上可以通過離子交換法去除。只要吸附介質(zhì)的容量足夠高，這種方法是相當(dāng)有效。例如一些沸石的效果就不錯(cuò)，而且可以通過鹽水原位再生。但當(dāng)然還得將鹽水中的氨吹脫出來。這顯然可以使用另一種膜工藝實(shí)現(xiàn)，畢竟在水回收中有很多膜技術(shù)。
再之是金屬。有研究顯示市政污泥的貴金屬含量足夠多到對其進(jìn)行提取回收。而在一些具體行業(yè)的工業(yè)廢水處理，由于污水中的一些物質(zhì)的附加值較高，所以甚至還可以使用深度水處理技術(shù)對其進(jìn)行回收，例如金屬電鍍廢水中的銅、鋅、鎳等物質(zhì)。甚至還有從飲用水處理產(chǎn)生的污泥里通過混凝劑回收金屬的案例。
更進(jìn)一步
然而，我們似乎可以在這基礎(chǔ)上更進(jìn)一步：因?yàn)椴⒎撬械挠袡C(jī)物都可以轉(zhuǎn)化為生物沼氣，還有一些殘留的有機(jī)固體，例如基本上是衛(wèi)生紙和棉基紡織品的不可生物降解的組分，這些物質(zhì)可以作為木質(zhì)纖維素的高分子聚合物(例如正聚羥基脂肪酸酯，即PHA))回收成為生物塑料產(chǎn)品。雖然它們不能直接回收成為衛(wèi)生紙，但顯然還是成為建筑材料等可以重復(fù)利用的原料。
這些好的理念想法能否實(shí)施，如何實(shí)施，很大程度上取決于我們的要求底線。我們大多認(rèn)為污水回收利用是一件好事，特別在凈能耗低于傳統(tǒng)方法的前提下。同時(shí)這些資源回收必須在成本具有經(jīng)濟(jì)競爭力，例如磷回收就是一個(gè)較好的例子，有些地點(diǎn)已經(jīng)有工程應(yīng)用。但其他物質(zhì)的回收情況如何呢?
這些好的理念想法能否實(shí)施，很大程度上取決于我們的要求底線
以氮的回收再利用為例，目前一些潛在方案能耗都較大。污水中的氨氮通過經(jīng)典的曝氣硝化轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，其氮氧質(zhì)量比通常大于4.5，隨后再通過反硝化作用最終產(chǎn)生氮?dú)狻＿@種脫氮工藝單位能耗一般超過2kWh/kg-N，而且將本來有用的氨氮變成無害的氮?dú)�，后者沒有任何價(jià)值。另一方案，氨氮本身是由Haber-Bosch工藝生產(chǎn)的，單位能耗高達(dá)9-13kWh/kg-N。將這兩個(gè)數(shù)字加起來，等于我們使用每千克氮的一個(gè)完整的生產(chǎn)循環(huán)的能耗達(dá)到驚人11-15kWh。從賬面來看，從污水中回收氨氮似乎是不可避免的趨勢，畢竟成本更加便宜。
除此以外，污水的厭氧處理也是一個(gè)前景值得期待的趨勢。它一方面生成甲烷而不是二氧化碳，另一方面它不會(huì)將氨氮轉(zhuǎn)化成其他產(chǎn)物。這樣的話就可以通過基于沸石的離子交換再利用技術(shù)對后者進(jìn)行回收。這看起來是那么的理所當(dāng)然：這讓我們可以拋棄過去浪費(fèi)資源的好氧處理，還能回收能量、氮、磷和水，甚至可以得到產(chǎn)量可觀的PHA生物塑料，就像我下圖畫的那樣…
任重道遠(yuǎn)
但是…如果真的那么簡單就好了 ...
實(shí)際上，如果對回收資源的總能耗做標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算之后，目前我們的污水資源回收理念似乎還是有些不切實(shí)際——畢竟這些營養(yǎng)素的量其實(shí)很小。目前我們要關(guān)注的數(shù)字應(yīng)該是污水處理的單位能耗。因?yàn)榧词箤τ诶碚撋系湍芰康膮捬跆幚恚鼘?shí)際上還是需要消耗能量，例如泵的運(yùn)輸以及其他成本組成。
事實(shí)上，在之前的博客里我已經(jīng)討論過厭氧處理污水的挑戰(zhàn)，并且在過去幾年中沒有發(fā)生太多變化。厭氧工藝依然比有氧慢，需要更大的反應(yīng)罐。另外還必須密封以趕走氧氣，這增加了安裝成本。產(chǎn)生的甲烷還會(huì)溶于水，因此還須進(jìn)行吹脫分離，相當(dāng)于要求增加另一個(gè)潛在的昂貴的下游工藝。膜其實(shí)也可用于厭氧處理，感興趣的朋友可以參考Cookney等人在2016年發(fā)表的報(bào)告，他們稱可用中空纖維膜接觸器從厭氧出水中回收甲烷。至于氨回收，回收少量的反應(yīng)試劑的價(jià)值幾乎可以忽略不計(jì)，因?yàn)榉惺橘|(zhì)床和從鹽水中回收氨所需的相關(guān)設(shè)備的成本遠(yuǎn)高于此。
但是，挑剔點(diǎn)并沒有什么問題。關(guān)鍵是我們對于各種工業(yè)運(yùn)營的低碳替代方案的需求，這包括了污水處理。要想讓我們的世界真正擺脫過去幾十年的高碳運(yùn)行，這個(gè)導(dǎo)致全球變暖的根本原因，我上邊話的工藝流程圖還真是一個(gè)需要認(rèn)真考慮的顛覆性的技術(shù)方案，盡管看起來他可能有些過于理想，價(jià)格上也沒有多少吸引力。但這不是重點(diǎn)，唯一阻礙我們進(jìn)步的只有我們的自滿心理。
參考資料
1.https://www.thembrsite.com/blog/waste-products-the-circular-economy-in-wastewater-treatment/
2.https://www.energy.gov/eere/bioenergy/articles/new-report-outlines-potential-future-water-resource-recovery-facilities
3.https://www.ysi.com/ysi-blog/water-blogged-blog/2017/09/wastewater-or-water-resource-recovery-getting-the-waste-out-of-wastewater
