對(duì)生活和工業(yè)廢水進(jìn)行適當(dāng)處理并進(jìn)行飲用、灌溉等再利用，其成本是昂貴的。僅處理來(lái)自烹飪、洗滌、清潔和衛(wèi)生的家庭灰水，就要占據(jù)全球3%的電力消耗，并釋放全球5%的非二氧化碳溫室氣體排放(主要是甲烷)。
工業(yè)廢水的處理成本更高。隨著世界人口的增長(zhǎng)，發(fā)展中國(guó)家逐漸執(zhí)行更嚴(yán)格的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，這些成本將在未來(lái)十年繼續(xù)增加。如果能從廢水中捕獲有價(jià)值的化學(xué)品，包括碳、氮和磷，將能回收一些經(jīng)濟(jì)成本。例如，污水處理廠可以利用甲烷產(chǎn)生電力而不是單純消耗它。采用新興技術(shù)可以有效回收磷肥和銨肥料。
但是，是什么阻礙了“廢水資源工廠”的建立?工藝不確定性、哪些技術(shù)是最有用的，以及如何進(jìn)行技術(shù)組合，都可能成為前進(jìn)道路上的絆腳石。本文概述了對(duì)生活污水中的污染物進(jìn)行回收再利用的方案，如何將如今每年需花費(fèi)數(shù)百萬(wàn)美元的污水處理廠搖身一變?yōu)槊磕戤a(chǎn)值超過(guò)100萬(wàn)美元的能源大戶。如果能將類似的方案應(yīng)用于更多樣化的工業(yè)廢水，將會(huì)帶來(lái)更多的好處。
廢水中的價(jià)值
生活污水中有我們?nèi)粘Ｉ町a(chǎn)生的各種廢棄物，糞便、脂肪、食物殘?jiān)⑾礈靹┖退幬铩Ｔ诨瘜W(xué)方面，1立方米的生活廢水含有300~600g COD，40~60g氮(以銨和有機(jī)化合物的形式)，5~20g磷(磷酸鹽和有機(jī)化合物)，10~20g硫(主要是硫酸鹽)和痕量的重金屬離子。
在過(guò)去的一個(gè)世紀(jì)，大部分生活廢水都使用好氧的“活性污泥法”進(jìn)行處理，在氧氣和細(xì)菌的共同作用下，氧化污染物,這種方法簡(jiǎn)單，對(duì)除去有機(jī)化合物、氮和磷有效。但活性污泥法消耗巨大的能源，并釋放碳足跡。一個(gè)10萬(wàn)噸/天的中型的污水處理廠消耗的電力與中國(guó)城鎮(zhèn)5000人(每立方米廢水約0.6KWh)相當(dāng)，并且每天的碳足跡相當(dāng)于6000輛家用汽車(chē)的二氧化碳排放量。
最關(guān)鍵的是，廢水中有機(jī)物所含的能量被大量浪費(fèi)，氮和磷都是制造肥料的原材料。通過(guò)加入鈣、鐵或鋁鹽沉淀，90%的磷最終掩埋在填埋場(chǎng)中，這種沉淀物不能被植物吸收，并且經(jīng)常還受到有毒金屬污染。同樣，超過(guò)80%的氮通過(guò)微生物轉(zhuǎn)化為氮?dú)舛鴵p失。該過(guò)程還產(chǎn)生大量的“濕污泥”(5~10千克每立方米處理水)。干燥和處置(在陸地或填埋場(chǎng))或焚燒這些污泥占處理設(shè)施總成本的30~50%。
一些污水廠對(duì)污泥進(jìn)行厭氧消化。在缺氧的情況下，微生物將復(fù)雜的有機(jī)物質(zhì)分解成更簡(jiǎn)單的有機(jī)分子，然后將其轉(zhuǎn)化為甲烷。通過(guò)燃燒甲烷以產(chǎn)生電和熱，厭氧消化可抵消活性污泥法20~30%的能量和溫室氣體成本。但消化過(guò)程緩慢，通常需要10~20天。
新興工藝的發(fā)展
將厭氧工藝直接應(yīng)用于生活廢水可以完全逆轉(zhuǎn)這些成本，甚至產(chǎn)生過(guò)量的能量，但是目前在環(huán)境溫度和低濃度的有機(jī)物下，厭氧工藝是不適用的。兩種新技術(shù)正在嘗試進(jìn)行這方面的突破。第一種技術(shù)是厭氧膜生物反應(yīng)器(AnMBR)。它使用多孔膜來(lái)滯留和濃縮固體(包括顆粒有機(jī)物質(zhì)和產(chǎn)生甲烷氣體的緩慢生長(zhǎng)的微生物)和污水中90%以上的溶解有機(jī)物。通過(guò)延長(zhǎng)材料的降解時(shí)間，每立方米污水可產(chǎn)生25~100%的甲烷。然后，可以通過(guò)氣體或真空技術(shù)對(duì)90%以上的溶解態(tài)甲烷進(jìn)行提取(濃度為10~20毫克/升)，整個(gè)過(guò)程的耗能僅需要0.05KWh/m3。
AnMBR技術(shù)已在幾個(gè)案例中成功用于生活污水處理。韓國(guó)富川污水處理廠已經(jīng)運(yùn)行了2年多，日處理量為12立方米。將AnMBR技術(shù)進(jìn)行大規(guī)模工程化應(yīng)用的最大挑戰(zhàn)是“膜堵塞”或“膜污染”。使用氣泡或流化顆粒活性炭沖洗膜表面，需要耗能0.2~0.6KWh/m3，基本與活性污泥法的能耗相當(dāng)。
第二種技術(shù)是微生物電化學(xué)電池(MXC)，其以微生物燃料電池的模式直接產(chǎn)生電力，或者在微生物電解電池中產(chǎn)生富含能量的化學(xué)物質(zhì)，例如氫氣。MXCs利用一些細(xì)菌的能力，當(dāng)它們代謝有機(jī)物質(zhì)時(shí)，通過(guò)其細(xì)胞膜將電子轉(zhuǎn)移到外部的受體。如果傳遞到燃料電池的陽(yáng)極，則電子可以傳遞電流。
MXC的產(chǎn)品——電或氫氣——比甲烷更有價(jià)值，并且易于使用。但所涉及的反應(yīng)過(guò)程緩慢(需要幾天)。一個(gè)提議是將MXC與AnMBR集成，以加速有機(jī)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，同時(shí)產(chǎn)生甲烷和電或氫。
但是目前的MXC在工程化應(yīng)用上表現(xiàn)不佳。擴(kuò)大或堆疊多個(gè)單元增加了它們的電阻并降低了可以回收能量的效率。據(jù)報(bào)道，英國(guó)Howdon的一個(gè)120升微生物電解池盒，其回收的電能輸入不到氫氣的一半;另一個(gè)安裝在中國(guó)哈爾濱的250升微生物燃料電池單元，只能將有機(jī)物質(zhì)中7%的能量轉(zhuǎn)化為電能。
營(yíng)養(yǎng)物的回收
氮和磷的情況怎樣呢?厭氧處理工藝將氮和磷轉(zhuǎn)換為銨離子和磷酸根離子排放到出水中，出水可用于灌溉附近的田地。但更有價(jià)值的氮和磷是可以儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)男问健Ｒ环N選擇是鳥(niǎo)糞石，鳥(niǎo)糞石是一種通過(guò)添加鎂和石灰沉淀的緩釋肥料。污泥或家畜廢水中發(fā)現(xiàn)的磷酸鹽和銨的濃度一般較高(數(shù)百毫克每升)，但是生活廢水中的濃度較低。
兩種新興技術(shù)——離子交換和電滲析——可以捕獲、濃縮磷和氮，足以從出水中回收作為鳥(niǎo)糞石。在離子交換中，磷酸根離子與陰離子(例如碳酸鹽)交換，或銨離子與陽(yáng)離子(例如鈉離子)交換，最后被諸如鐵基氫氧化物、沸石和聚合物的材料吸附。在電滲析中，電場(chǎng)和膜基于電荷和尺寸的差異將磷和氮離子與其他離子分離。
這兩種技術(shù)目前仍在進(jìn)行小規(guī)模調(diào)試。種種問(wèn)題包括，無(wú)法從交換器中完全回收離子;交換器或膜被有機(jī)物阻塞;濃縮物被鹽污染;以及高昂的成本問(wèn)題。例如，目前膜的價(jià)格是每平方米數(shù)百美元。并且磷和氮的電滲析提取(以90%的回收率)大約分別消耗0.23KWh/m3和0.14KWh/m3，大約是活性污泥法消耗能量的三分之二。使用MXC可通過(guò)發(fā)電部分抵消能量輸入，但微生物和生物分子將加重膜污染。
特別是從廢水中進(jìn)行氮回收會(huì)產(chǎn)生全球影響。在實(shí)驗(yàn)室中，相較于磷的提取，氮的提取所受的關(guān)注較少，因?yàn)榇髿庵械牡獨(dú)夂苋菀走€原合成氮肥。但是所涉及的過(guò)程——固氮Haber-Bosch工藝——是高耗能工藝：它甚至占到世界年能源使用量的百分之幾。只要取代現(xiàn)有5%的氮肥生產(chǎn)，就可以節(jié)省超過(guò)50太瓦時(shí)的能源，相當(dāng)于節(jié)省中國(guó)每年1.5%的電力消耗。
污泥是來(lái)自廢水中微生物生長(zhǎng)所產(chǎn)生的糞便、纖維和其他固體等生物質(zhì)，污泥是含有氮和磷的一種厭氧消化副產(chǎn)物。如果它們?cè)趨捬跆幚磉^(guò)程中穩(wěn)定(以避免產(chǎn)生甲烷氣體或氣味)和解毒(無(wú)病原體或危險(xiǎn)化學(xué)品)，則它們可以直接施用于土壤。美國(guó)將55%的經(jīng)過(guò)處理的污泥回用于土地，但是這種做法受到來(lái)自公眾和監(jiān)管壓力，因?yàn)槲勰嚯y以完全穩(wěn)定和解毒，還會(huì)有重金屬積累。
熱處理使污泥更容易使用，且更安全。它能殺死病原體，提高營(yíng)養(yǎng)物存留并減少重金屬釋放。使用燃燒甲烷產(chǎn)生的熱量可進(jìn)一步降低能耗，但是污泥的安全性仍需要在更大規(guī)模應(yīng)用上進(jìn)一步改進(jìn)和評(píng)價(jià)。
污水廠的最終產(chǎn)品是水，水具有巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值：全球飲用水的平均價(jià)格為每立方米2美元。不同的使用目的需要不同質(zhì)量的水——從最干凈的飲用水到用于冷卻或工業(yè)用途的較低質(zhì)量的水。所以，處理工藝也需要相應(yīng)變化。在中國(guó)，只有15%的處理過(guò)的水得以回用，而高達(dá)98%的飲用水進(jìn)入市政和工業(yè)用水領(lǐng)域，而其實(shí)這些領(lǐng)域并不需要如此高質(zhì)量的水。我們需要一個(gè)具有“適用性”的處理和回用水策略。
經(jīng)濟(jì)利益
據(jù)估計(jì)，為中國(guó)約50萬(wàn)人口的城市提供服務(wù)的生活污水處理廠的日處理量為100,000立方米/天。我們計(jì)算，資源工廠每天可以產(chǎn)生約17,000KWh的電能，回收1噸磷和5噸氮，并回收1000立方米的飲用水。相比之下，相同規(guī)模的活性污泥設(shè)備(具有厭氧消化)將消耗50,000KWh的電能并且不回收磷或氮。因此，資源工廠每天可以節(jié)省67,000KWh(這是沒(méi)有考慮化肥生產(chǎn)節(jié)省的能源)，這相當(dāng)于城市每日用電量的1.5%。
我們估計(jì)，這種資源工廠每年可以產(chǎn)生180萬(wàn)美元的利潤(rùn)(不包括建筑成本)，而活性污泥處理廠每年的成本為460萬(wàn)美元。這意味著即使只將1%的回用水處理為飲用水進(jìn)行出售，相對(duì)于完全沒(méi)有飲用水出售的情況，利潤(rùn)就能提高十倍。
農(nóng)業(yè)、食品和石油化工行業(yè)的工業(yè)廢水的經(jīng)濟(jì)效益可能更高。例如，AnMBR工藝可以從石化廢水中去除高達(dá)98%的有機(jī)質(zhì)(約18千克/立方米)，比處理生活廢水產(chǎn)生的甲烷多100倍。畜牧廢水富含有機(jī)分子和磷，成為能源和肥料的重要潛在來(lái)源。
政府的支持對(duì)于發(fā)展廢水資源工廠和促進(jìn)可持續(xù)水資源市場(chǎng)至關(guān)重要。在接下來(lái)的十年中，從化石燃料能源和當(dāng)前加工方法中提取廢水資源的成本仍將昂貴。為什么?因?yàn)榄h(huán)境成本尚未納入定價(jià)，新興污水回用技術(shù)尚未從規(guī)模經(jīng)濟(jì)中實(shí)現(xiàn)明顯獲益。優(yōu)先權(quán)究竟落在誰(shuí)手，將隨著能源、資源和全球變暖壓力的加劇而易主。
下一步應(yīng)該如何做?各國(guó)政府必須建立包括廢物處置和溫室氣體排放成本的監(jiān)管框架。他們必須投資于商業(yè)前期或早期采用技術(shù)的規(guī)模示范;對(duì)回收產(chǎn)品的銷(xiāo)售進(jìn)行補(bǔ)貼;并提高利用再循環(huán)資源概念可產(chǎn)生的利益。
政府和企業(yè)應(yīng)提供有針對(duì)性的研究資金以及土地和基礎(chǔ)服務(wù)設(shè)施。為確保產(chǎn)品的適用性，技術(shù)開(kāi)發(fā)必須廣泛吸納來(lái)自監(jiān)管機(jī)構(gòu)、污水處理設(shè)施的管理運(yùn)營(yíng)人員、工程師、研究人員和公眾的意見(jiàn)。
國(guó)家政策制定要適合當(dāng)?shù)丨h(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)條件。工業(yè)化國(guó)家在取代老化處理設(shè)施時(shí)應(yīng)當(dāng)整合新興工藝。中國(guó)和印度等新興經(jīng)濟(jì)體應(yīng)該在擴(kuò)大其水處理能力時(shí)應(yīng)在全球經(jīng)濟(jì)體內(nèi)開(kāi)展合作。
此文根據(jù)俞漢青老師2015年12月3日發(fā)表在《nature》(VOL528，page29~31)上的文章“Chemistry:Reuse water pollutants”翻譯。
