英國(guo)Cranfield大(da)學(xue)的(de)水(shui)處(chu)理專家Simon Judd教授是(shi)著名博客(ke)MBR Site的(de)博主，除(chu)了介紹MBR工藝之外，他還會(hui)是(shi)不是(shi)對整個污(wu)水(shui)處(chu)理行業的(de)一(yi)些(xie)新(xin)動態(tai)做點(dian)評。近(jin)年來，世界各國(guo)都在(zai)推行“循(xun)環經(jing)濟”的(de)理念，最近(jin)他在(zai)博客(ke)上(shang)發表(biao)了一(yi)篇《Waste products? The circular economy in wastewater treatment》的(de)文章，就在(zai)污(wu)水(shui)處(chu)理領(ling)域實踐“循(xun)環經(jing)濟”的(de)前(qian)景表(biao)達了一(yi)些(xie)個人見解(jie)。本期(qi)，小編對他的(de)文章進(jin)行翻譯供讀(du)者參(can)考。

原著：Simon Judd 譯者(zhe)：瓦村農夫

循環經濟(ji)時(shi)代(dai)的污水處(chu)理

變廢為寶這個(ge)想(xiang)法已(yi)經不是什么新(xin)概念了。有機廢物(wu)的(de)堆肥已(yi)經存在幾(ji)(ji)個(ge)世紀了;回(hui)收玻璃容器、鋁罐和塑料飲料瓶已(yi)經有幾(ji)(ji)十(shi)年(nian)歷史了，并(bing)且大家覺說它們都是很重要的(de)事。

那么廢水(shui)呢?再(zai)次，從(cong)廢水(shui)中回(hui)收資源也(ye)不(bu)是一(yi)個(ge)新話題。非(fei)直飲式(shi)的(de)水(shui)回(hui)用已(yi)經非(fei)常成熟，有(you)些(xie)地區甚(shen)至達到飲用級(ji)別。實現的(de)技術一(yi)般(ban)是生(sheng)物處理(li)再(zai)加(jia)后續(xu)的(de)UV紫外消(xiao)毒(du)、活性炭吸(xi)附和/或反滲透。我(wo)們用厭氧硝化技術將污水(shui)污泥(ni)源中的(de)有(you)機碳轉(zhuan)化為(wei)甲(jia)烷也(ye)有(you)幾(ji)十年歷史了，這(zhe)些(xie)潛(qian)在的(de)能(neng)(neng)量一(yi)般(ban)通過熱電聯產(CHP)的(de)方(fang)式(shi)回(hui)收電能(neng)(neng)和熱能(neng)(neng)。污泥(ni)經過巴氏消(xiao)毒(du)或以其他方(fang)式(shi)的(de)無害化處理(li)，也(ye)可用作肥料 - 盡管這(zhe)不(bu)是普羅大眾接受的(de)最終處置(zhi)方(fang)式(shi)。

原(yuan)則上，污水富(fu)含各種(zhong)資源，包括有機碳以及其他無機化合物

除此以外，我(wo)們還可以在污(wu)水(shui)里(li)邊挖掘什么呢?原則上，污(wu)水(shui)富(fu)含各種(zhong)資源：各種(zhong)不同(tong)的(de)東西通過廁所、下水(shui)道(dao)和排水(shui)溝最終進入污(wu)水(shui)處理廠。除了有機碳，它還有許(xu)多潛(qian)在有用(yong)的(de)無機化合物。

首先是(shi)氮(dan)磷等營養物。磷回收已經得到了廣泛的(de)探索(suo)，原因有兩個，第(di)一是(shi)世界(jie)各地(di)紛(fen)紛(fen)施(shi)行更為嚴格(ge)的(de)磷排放標準，第(di)二是(shi)，廢水(shui)處(chu)理廠收集(ji)的(de)污泥固體(ti)中的(de)磷潛量巨大。

與磷(lin)回(hui)收相比，氮的(de)(de)(de)回(hui)收有些棘手。 磷(lin)因為可(ke)以(yi)(yi)(yi)形(xing)成不(bu)(bu)溶性固體(ti)，例如(ru)鳥(niao)糞石或磷(lin)酸鋁，可(ke)從溶液中(zhong)釋出(chu)(chu)，氮就不(bu)(bu)能這(zhe)么做。污水(shui)中(zhong)的(de)(de)(de)氨(an)氮通常通過硝化(hua)和反硝化(hua)得以(yi)(yi)(yi)去(qu)除，一(yi)般通過經典的(de)(de)(de)改良Ludzack Ettinger(MLE)法。無(wu)機氨(an)在(zai)中(zhong)性溶液中(zhong)實(shi)(shi)際上(shang)(shang)以(yi)(yi)(yi)離子形(xing)式存在(zai)，因此原則上(shang)(shang)可(ke)以(yi)(yi)(yi)通過離子交換法去(qu)除。只要吸附介質的(de)(de)(de)容(rong)量足夠(gou)高，這(zhe)種(zhong)方法是相當(dang)有效。例如(ru)一(yi)些沸石的(de)(de)(de)效果(guo)就不(bu)(bu)錯(cuo)，而且可(ke)以(yi)(yi)(yi)通過鹽(yan)水(shui)原位再生。但當(dang)然還得將鹽(yan)水(shui)中(zhong)的(de)(de)(de)氨(an)吹脫出(chu)(chu)來。這(zhe)顯然可(ke)以(yi)(yi)(yi)使用另一(yi)種(zhong)膜工藝(yi)實(shi)(shi)現，畢竟在(zai)水(shui)回(hui)收中(zhong)有很多膜技術。

再之是(shi)金屬(shu)。有研究顯示市政(zheng)污(wu)(wu)泥的(de)貴金屬(shu)含量足夠多到對其(qi)進行提取回(hui)收。而在一些具體行業(ye)的(de)工業(ye)廢水處理，由(you)于污(wu)(wu)水中(zhong)的(de)一些物質的(de)附(fu)加值較高，所以(yi)甚至還可以(yi)使用深度水處理技(ji)術(shu)對其(qi)進行回(hui)收，例如(ru)金屬(shu)電鍍廢水中(zhong)的(de)銅、鋅、鎳(nie)等物質。甚至還有從(cong)飲用水處理產生的(de)污(wu)(wu)泥里通過(guo)混凝劑回(hui)收金屬(shu)的(de)案例。

更進一步

然(ran)而，我們似乎(hu)可以(yi)在這(zhe)基礎上(shang)更進一步：因(yin)為(wei)并非所有(you)(you)(you)的(de)有(you)(you)(you)機物(wu)都可以(yi)轉化(hua)為(wei)生(sheng)物(wu)沼氣，還(huan)有(you)(you)(you)一些殘留(liu)的(de)有(you)(you)(you)機固體，例如基本上(shang)是(shi)衛(wei)生(sheng)紙(zhi)和棉基紡(fang)織品的(de)不(bu)可生(sheng)物(wu)降解的(de)組(zu)分，這(zhe)些物(wu)質可以(yi)作(zuo)為(wei)木質纖維素的(de)高分子聚(ju)(ju)合物(wu)(例如正聚(ju)(ju)羥(qian)基脂肪(fang)酸酯，即PHA))回收(shou)成(cheng)為(wei)生(sheng)物(wu)塑料產品。雖然(ran)它(ta)們不(bu)能直接回收(shou)成(cheng)為(wei)衛(wei)生(sheng)紙(zhi)，但顯然(ran)還(huan)是(shi)成(cheng)為(wei)建(jian)筑材料等可以(yi)重復利用的(de)原料。

這些好(hao)的(de)(de)理(li)念(nian)想法能(neng)否實施(shi)，如何實施(shi)，很大(da)程度上取決(jue)于我們(men)的(de)(de)要求底線。我們(men)大(da)多認為污(wu)水回(hui)(hui)收利用是一件好(hao)事，特(te)別(bie)在凈能(neng)耗低(di)于傳(chuan)統方法的(de)(de)前(qian)提(ti)下(xia)。同時這些資源回(hui)(hui)收必須在成本具(ju)有經(jing)濟競爭力，例(li)如磷回(hui)(hui)收就是一個較好(hao)的(de)(de)例(li)子，有些地(di)點已經(jing)有工(gong)程應用。但其他物質(zhi)的(de)(de)回(hui)(hui)收情況(kuang)如何呢?

這些(xie)好的(de)理念想法(fa)能否實(shi)施，很(hen)大(da)程度上取決于我(wo)們的(de)要求底(di)線

以氮的回(hui)收再利用(yong)(yong)為例，目前一(yi)些潛在方案能(neng)耗(hao)都(dou)較大。污水中的氨(an)(an)氮通過(guo)經(jing)典的曝氣(qi)硝化轉化為硝酸鹽，其氮氧質量(liang)比通常大于(yu)4.5，隨后(hou)再通過(guo)反硝化作用(yong)(yong)最終產(chan)生氮氣(qi)。這種(zhong)脫(tuo)氮工藝(yi)單位能(neng)耗(hao)一(yi)般(ban)超過(guo)2kWh/kg-N，而(er)且將本來有用(yong)(yong)的氨(an)(an)氮變成無害(hai)的氮氣(qi)，后(hou)者沒有任(ren)何價值。另一(yi)方案，氨(an)(an)氮本身是(shi)由(you)Haber-Bosch工藝(yi)生產(chan)的，單位能(neng)耗(hao)高達9-13kWh/kg-N。將這兩個數字加(jia)起(qi)來，等(deng)于(yu)我們使用(yong)(yong)每千克氮的一(yi)個完整(zheng)的生產(chan)循(xun)環的能(neng)耗(hao)達到驚人(ren)11-15kWh。從賬面來看，從污水中回(hui)收氨(an)(an)氮似乎(hu)是(shi)不可避免(mian)的趨勢，畢竟(jing)成本更加(jia)便宜(yi)。

除此(ci)以(yi)(yi)外，污水的(de)厭氧(yang)處理(li)(li)也(ye)是一(yi)個前景值(zhi)得(de)(de)期待的(de)趨勢。它一(yi)方(fang)面(mian)生成甲(jia)烷而(er)不是二氧(yang)化碳(tan)，另(ling)一(yi)方(fang)面(mian)它不會(hui)將氨氮轉化成其他產物(wu)。這樣的(de)話就(jiu)可以(yi)(yi)通(tong)過基于沸石的(de)離子交換再利用技(ji)術對后者進行(xing)回(hui)收。這看起來是那么(me)的(de)理(li)(li)所當然：這讓我們可以(yi)(yi)拋(pao)棄過去浪(lang)費資源的(de)好氧(yang)處理(li)(li)，還能回(hui)收能量(liang)(liang)、氮、磷(lin)和水，甚至(zhi)可以(yi)(yi)得(de)(de)到產量(liang)(liang)可觀(guan)的(de)PHA生物(wu)塑料，就(jiu)像我下圖畫的(de)那樣…

任(ren)重道遠

但是…如果真的那么簡單就(jiu)好了 ...

實(shi)(shi)際(ji)上(shang)，如果對回(hui)收資(zi)源(yuan)的(de)(de)總能耗(hao)做標準化計算之后(hou)，目前我們的(de)(de)污(wu)水(shui)資(zi)源(yuan)回(hui)收理(li)(li)念似乎還(huan)是有(you)些不切實(shi)(shi)際(ji)——畢竟這些營養素(su)的(de)(de)量其(qi)(qi)實(shi)(shi)很小(xiao)。目前我們要關注的(de)(de)數字應該是污(wu)水(shui)處理(li)(li)的(de)(de)單位能耗(hao)。因為(wei)即使對于理(li)(li)論上(shang)低(di)能量的(de)(de)厭氧處理(li)(li)，它實(shi)(shi)際(ji)上(shang)還(huan)是需要消耗(hao)能量，例如泵(beng)的(de)(de)運輸以及其(qi)(qi)他成(cheng)本組成(cheng)。

事實上，在(zai)(zai)之前的(de)(de)博客里我已經討論過厭(yan)氧處理(li)污(wu)水(shui)(shui)的(de)(de)挑戰，并且在(zai)(zai)過去幾(ji)年中沒有發生(sheng)太多變化(hua)。厭(yan)氧工藝(yi)依然比有氧慢，需(xu)要(yao)更(geng)大(da)的(de)(de)反應罐。另(ling)外還(huan)必須密(mi)封(feng)以趕走氧氣，這增加(jia)了安裝成本。產(chan)生(sheng)的(de)(de)甲(jia)(jia)烷(wan)還(huan)會溶于(yu)水(shui)(shui)，因此(ci)還(huan)須進行吹脫分(fen)離(li)，相當于(yu)要(yao)求增加(jia)另(ling)一個(ge)潛(qian)在(zai)(zai)的(de)(de)昂(ang)貴的(de)(de)下游(you)工藝(yi)。膜其實也可(ke)(ke)用(yong)(yong)于(yu)厭(yan)氧處理(li)，感興趣的(de)(de)朋友可(ke)(ke)以參考Cookney等人在(zai)(zai)2016年發表的(de)(de)報告，他(ta)們稱可(ke)(ke)用(yong)(yong)中空纖維膜接(jie)觸器從厭(yan)氧出水(shui)(shui)中回收甲(jia)(jia)烷(wan)。至(zhi)于(yu)氨(an)回收，回收少量的(de)(de)反應試劑(ji)的(de)(de)價值(zhi)幾(ji)乎(hu)可(ke)(ke)以忽略不計，因為沸石介質床和從鹽水(shui)(shui)中回收氨(an)所需(xu)的(de)(de)相關設備(bei)的(de)(de)成本遠高于(yu)此(ci)。

但是(shi)，挑(tiao)剔點(dian)并沒有(you)什么問題(ti)。關鍵是(shi)我(wo)們對(dui)于各種工業運營(ying)的(de)(de)(de)(de)(de)低(di)碳替代方案的(de)(de)(de)(de)(de)需求，這包括(kuo)了污水處理。要想(xiang)讓我(wo)們的(de)(de)(de)(de)(de)世界真(zhen)正擺脫過去(qu)幾十年的(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)碳運行，這個(ge)(ge)導致全球變(bian)暖(nuan)的(de)(de)(de)(de)(de)根本原(yuan)因，我(wo)上邊話的(de)(de)(de)(de)(de)工藝(yi)流程圖還真(zhen)是(shi)一個(ge)(ge)需要認真(zhen)考慮的(de)(de)(de)(de)(de)顛覆性的(de)(de)(de)(de)(de)技術方案，盡管看起(qi)來(lai)他可能有(you)些(xie)過于理想(xiang)，價格上也沒有(you)多少(shao)吸引力。但這不(bu)是(shi)重點(dian)，唯一阻礙我(wo)們進步(bu)的(de)(de)(de)(de)(de)只(zhi)有(you)我(wo)們的(de)(de)(de)(de)(de)自滿心理。

轉自：奧尼卡(ka)水處理創新(xin)中心