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變廢為寶還不夠?循環經濟下的水處理如何走上低碳之路?

來源:奧尼卡水處理 2019-02-22 10:05

英國Cranfield大學的水處理專家Simon Judd教授是著名博客MBR Site的博主,除了介紹MBR工藝之外,他還會是不是對整個污水處理行業的一些新動態做點評。近年來,世界各國都在推行“循環經濟”的理念,最近他在博客上發表了一篇《Waste products? The circular economy in wastewater treatment》的文章,就在污水處理領域實踐“循環經濟”的前景表達了一些個人見解。

循環經濟時代的污水處理

變廢為寶這個想法已經不是什么新概念了。有機廢物的堆肥已經存在幾個世紀了;回收玻璃容器、鋁罐和塑料飲料瓶已經有幾十年歷史了,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新話題。非直飲式的水回用已經非常成熟,有些地區甚至達到飲用級別。實現的技術一般是生物處理再加后續的UV紫外消毒、活性炭吸附和/或反滲透。我們用厭氧硝化技術將污水污泥源中的有機碳轉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產(CHP)的方式回收電能和熱能。污泥經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,包括有機碳以及其他無機化合物

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入污水處理廠。除了有機碳,它還有許多潛在有用的無機化合物。

首先是氮磷等營養物。磷回收已經得到了廣泛的探索,原因有兩個,第一是世界各地紛紛施行更為嚴格的磷排放標準,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。 磷因為可以形成不溶性固體,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,一般通過經典的改良Ludzack Ettinger(MLE)法。無機氨在中性溶液中實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。只要吸附介質的容量足夠高,這種方法是相當有效。例如一些沸石的效果就不錯,而且可以通過鹽水原位再生。但當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現,畢竟在水回收中有很多膜技術。

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行提取回收。而在一些具體行業的工業廢水處理,由于污水中的一些物質的附加值較高,所以甚至還可以使用深度水處理技術對其進行回收,例如金屬電鍍廢水中的銅、鋅、鎳等物質。甚至還有從飲用水處理產生的污泥里通過混凝劑回收金屬的案例。

更進一步

然而,我們似乎可以在這基礎上更進一步:因為并非所有的有機物都可以轉化為生物沼氣,還有一些殘留的有機固體,例如基本上是衛生紙和棉基紡織品的不可生物降解的組分,這些物質可以作為木質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品。雖然它們不能直接回收成為衛生紙,但顯然還是成為建筑材料等可以重復利用的原料。

這些好的理念想法能否實施,如何實施,很大程度上取決于我們的要求底線。我們大多認為污水回收利用是一件好事,特別在凈能耗低于傳統方法的前提下。同時這些資源回收必須在成本具有經濟競爭力,例如磷回收就是一個較好的例子,有些地點已經有工程應用。但其他物質的回收情況如何呢?

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典的曝氣硝化轉化為硝酸鹽,其氮氧質量比通常大于4.5,隨后再通過反硝化作用最終產生氮氣。這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氣,后者沒有任何價值。另一方案,氨氮本身是由Haber-Bosch工藝生產的,單位能耗高達9-13kWh/kg-N。將這兩個數字加起來,等于我們使用每千克氮的一個完整的生產循環的能耗達到驚人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,另一方面它不會將氨氮轉化成其他產物。這樣的話就可以通過基于沸石的離子交換再利用技術對后者進行回收。這看起來是那么的理所當然:這讓我們可以拋棄過去浪費資源的好氧處理,還能回收能量、氮、磷和水,甚至可以得到產量可觀的PHA生物塑料,就像我下圖畫的那樣…

任重道遠

但是…如果真的那么簡單就好了 ...

實際上,如果對回收資源的總能耗做標準化計算之后,目前我們的污水資源回收理念似乎還是有些不切實際——畢竟這些營養素的量其實很小。目前我們要關注的數字應該是污水處理的單位能耗。因為即使對于理論上低能量的厭氧處理,它實際上還是需要消耗能量,例如泵的運輸以及其他成本組成。

事實上,在之前的博客里我已經討論過厭氧處理污水的挑戰,并且在過去幾年中沒有發生太多變化。厭氧工藝依然比有氧慢,需要更大的反應罐。另外還必須密封以趕走氧氣,這增加了安裝成本。產生的甲烷還會溶于水,因此還須進行吹脫分離,相當于要求增加另一個潛在的昂貴的下游工藝。膜其實也可用于厭氧處理,感興趣的朋友可以參考Cookney等人在2016年發表的報告,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,回收少量的反應試劑的價值幾乎可以忽略不計,因為沸石介質床和從鹽水中回收氨所需的相關設備的成本遠高于此。

但是,挑剔點并沒有什么問題。關鍵是我們對于各種工業運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行,這個導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需要認真考慮的顛覆性的技術方案,盡管看起來他可能有些過于理想,價格上也沒有多少吸引力。但這不是重點,唯一阻礙我們進步的只有我們的自滿心理。

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