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变废为宝还不够?循环经济下的水处理如何走上低碳之路?

英国Cranfield大学的水处理专家Simon Judd教授是著名博客MBR Site的博主,除了介绍MBR工艺之外,他还会是不是对整个污水处理行业的一些新动态做点评。近年来,世界各国都在推行“循环经济”的理念,最近他在博客上发表了一篇《Waste products? The circular economy in wastewater treatment》的文章,就在污水处理领域实践“循环经济”的前景表达了一些个人见解。本期,小编对他的文章进行翻译供读者参考。


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原著:Simon Judd 译者:瓦村农夫


循环经济时代的污水处理


变废为宝这个想法已经不是什么新概念了。有机废物的堆肥已经存在几个世纪了;回收玻璃容器、铝罐和塑料饮料瓶已经有几十年历史了,并且大家觉说它们都是很重要的事。


那么废水呢?再次,从废水中回收资源也不是一个新话题。非直饮式的水回用已经非常成熟,有些地区甚至达到饮用级别。实现的技术一般是生物处理再加后续的UV紫外消毒、活性炭吸附和/或反渗透。我们用厌氧硝化技术将污水污泥源中的有机碳转化为甲烷也有几十年历史了,这些潜在的能量一般通过热电联产(CHP)的方式回收电能和热能。污泥经过巴氏消毒或以其他方式的无害化处理,也可用作肥料 - 尽管这不是普罗大众接受的最终处置方式。


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原则上,污水富含各种资源,包括有机碳以及其他无机化合物


除此以外,我们还可以在污水里边挖掘什么呢?原则上,污水富含各种资源:各种不同的东西通过厕所、下水道和排水沟最终进入污水处理厂。除了有机碳,它还有许多潜在有用的无机化合物。


首先是氮磷等营养物。磷回收已经得到了广泛的探索,原因有两个,第一是世界各地纷纷施行更为严格的磷排放标准,第二是,废水处理厂收集的污泥固体中的磷潜量巨大。


与磷回收相比,氮的回收有些棘手。 磷因为可以形成不溶性固体,例如鸟粪石或磷酸铝,可从溶液中释出,氮就不能这么做。污水中的氨氮通常通过硝化和反硝化得以去除,一般通过经典的改良Ludzack Ettinger(MLE)法。无机氨在中性溶液中实际上以离子形式存在,因此原则上可以通过离子交换法去除。只要吸附介质的容量足够高,这种方法是相当有效。例如一些沸石的效果就不错,而且可以通过盐水原位再生。但当然还得将盐水中的氨吹脱出来。这显然可以使用另一种膜工艺实现,毕竟在水回收中有很多膜技术。


再之是金属。有研究显示市政污泥的贵金属含量足够多到对其进行提取回收。而在一些具体行业的工业废水处理,由于污水中的一些物质的附加值较高,所以甚至还可以使用深度水处理技术对其进行回收,例如金属电镀废水中的铜、锌、镍等物质。甚至还有从饮用水处理产生的污泥里通过混凝剂回收金属的案例。


更进一步


然而,我们似乎可以在这基础上更进一步:因为并非所有的有机物都可以转化为生物沼气,还有一些残留的有机固体,例如基本上是卫生纸和棉基纺织品的不可生物降解的组分,这些物质可以作为木质纤维素的高分子聚合物(例如正聚羟基脂肪酸酯,即PHA))回收成为生物塑料产品。虽然它们不能直接回收成为卫生纸,但显然还是成为建筑材料等可以重复利用的原料。


这些好的理念想法能否实施,如何实施,很大程度上取决于我们的要求底线。我们大多认为污水回收利用是一件好事,特别在净能耗低于传统方法的前提下。同时这些资源回收必须在成本具有经济竞争力,例如磷回收就是一个较好的例子,有些地点已经有工程应用。但其他物质的回收情况如何呢?


这些好的理念想法能否实施,很大程度上取决于我们的要求底线


以氮的回收再利用为例,目前一些潜在方案能耗都较大。污水中的氨氮通过经典的曝气硝化转化为硝酸盐,其氮氧质量比通常大于4.5,随后再通过反硝化作用最终产生氮气。这种脱氮工艺单位能耗一般超过2kWh/kg-N,而且将本来有用的氨氮变成无害的氮气,后者没有任何价值。另一方案,氨氮本身是由Haber-Bosch工艺生产的,单位能耗高达9-13kWh/kg-N。将这两个数字加起来,等于我们使用每千克氮的一个完整的生产循环的能耗达到惊人11-15kWh。从账面来看,从污水中回收氨氮似乎是不可避免的趋势,毕竟成本更加便宜。


除此以外,污水的厌氧处理也是一个前景值得期待的趋势。它一方面生成甲烷而不是二氧化碳,另一方面它不会将氨氮转化成其他产物。这样的话就可以通过基于沸石的离子交换再利用技术对后者进行回收。这看起来是那么的理所当然:这让我们可以抛弃过去浪费资源的好氧处理,还能回收能量、氮、磷和水,甚至可以得到产量可观的PHA生物塑料,就像我下图画的那样…


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任重道远


但是…如果真的那么简单就好了 ...


实际上,如果对回收资源的总能耗做标准化计算之后,目前我们的污水资源回收理念似乎还是有些不切实际——毕竟这些营养素的量其实很小。目前我们要关注的数字应该是污水处理的单位能耗。因为即使对于理论上低能量的厌氧处理,它实际上还是需要消耗能量,例如泵的运输以及其他成本组成。


事实上,在之前的博客里我已经讨论过厌氧处理污水的挑战,并且在过去几年中没有发生太多变化。厌氧工艺依然比有氧慢,需要更大的反应罐。另外还必须密封以赶走氧气,这增加了安装成本。产生的甲烷还会溶于水,因此还须进行吹脱分离,相当于要求增加另一个潜在的昂贵的下游工艺。膜其实也可用于厌氧处理,感兴趣的朋友可以参考Cookney等人在2016年发表的报告,他们称可用中空纤维膜接触器从厌氧出水中回收甲烷。至于氨回收,回收少量的反应试剂的价值几乎可以忽略不计,因为沸石介质床和从盐水中回收氨所需的相关设备的成本远高于此。


但是,挑剔点并没有什么问题。关键是我们对于各种工业运营的低碳替代方案的需求,这包括了污水处理。要想让我们的世界真正摆脱过去几十年的高碳运行,这个导致全球变暖的根本原因,我上边话的工艺流程图还真是一个需要认真考虑的颠覆性的技术方案,尽管看起来他可能有些过于理想,价格上也没有多少吸引力。但这不是重点,唯一阻碍我们进步的只有我们的自满心理。




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