污水资源化：回收嘛为什么在哪儿？

慧聪水工业网 2024-08-02 10:06 来源：水业碳中和资讯作者：郝晓地等

编者按：气候变化和环境恶化所带来的生存威胁以及自然资源枯竭使得可持续发展和碳中和备受关注。污水净化/处理尽管最终可以保护人类健康，但过程却导致物质熵增，根本上却进一步恶化了生态环境。从污水中回收资源而非摧毁之是减缓熵增、甚至实现逆熵增的有效途径（回顾往期内容）。简言之，通过从污水中回收资源与能源，改变物质单向流动路径可实现可持续循环经济，最终契合蓝色发展目标。污水资源化是将看似一无是处的“废物”资源化为具有高附加价值的产品并予以回收与利用，包括有机质、氮、磷、能源和水资源等。然而，有关从污水中回收什么资源、从哪儿回收以及为什么回收？这些问题在学界和工程界还存在不少争议。本学术观点基于团队往期多项成果综合而成，以助同行明晰污水潜在资源“是什么、在哪儿和为什么（What, Why 和Where, 即，W3问题）”，该观点近期发表于Environmental & Science Technology 的Viewpoint 栏目。

核心要点

1、变废为宝：尽可能从污水或污泥中回收和生产、开发具有高附加值产品，如，PHA和EPS等；

2、化学能回收：污泥干化后直接焚烧，而非厌氧消化，一步到位处理污泥，高效回收有机能源；

3、磷与金属回收：焚烧灰分进一步用于回收磷和金属等；

4、余温热能：出水余温热能回收用以制热，用于直接建筑供暖/制冷，污泥干化、农业温室等目的。

观点概述

首先，有机物（COD）是㶲（Exergy）与碳基复合体。生物处理环节有机质（COD）被直接氧化为二氧化碳（CO2）而摧毁，过程中只有一部分有机质被转化为细菌细胞/污泥。传统上，污泥厌氧消化因沼气利用而可实现部分有机质能源转化并利用，因此还会获得政府经济补贴。然而，污泥厌氧消化能源转化效率很低（<15%，回顾往期内容），其可持续性（加速熵增，回顾往期内容）已受到质疑。实际上，将有机质转化为高附加值产品，如，胞外聚合物（EPS）、聚羟基烷酸酯（PHA），这不仅可实现资源回收，还能带来巨大经济收益，因为这些生物质材料可替代或减少部分石油基化学品，从而实现可持续性目标。

其次，磷矿资源即将耗尽，继续从污水等点源回收磷。相比除磷，污水磷回收更具现实意义。研究虽证实以鸟粪石（MgNH4PO4·6H2O）和蓝铁矿（Fe3(PO4)2·8H2O）可实现污水/污泥磷回收，但污泥焚烧灰分磷回收效率则更高、技术更简单（可回收进水总磷的80%~90%），还可顺带回收金属和其它元素。

污水氮回收尽管也备受关注（对环境有积极影响），但氮与磷不同，并非稀缺性元素。氮回收应更多关注能源效率问题！Haber-Bosch工艺是当前生产合成氨（如，尿素）很成熟且非常高效的技术，而污水氮回收往往能耗更高、且工艺复杂，其最终对环境的总影响评价不可忽视。在处理高浓度氨液体（如，尿液）时，以铵根形式回收的氮回收才可能具有一定可持续性，但工程实际仍需要辅以复杂且资源消耗密集型工艺。

最后，需要探寻抵消污水处理厂能耗的清洁能源，以助实现污水处理碳中和运行。太阳能虽具有一定潜力，但因厂区有限面积限制仅能弥补约10%的运行能耗。如上所述，污泥厌氧消化能源转化效率也不是很高（<15%进水COD化学能）。相反，污泥干化直接焚烧，进水COD化学能转化效率可高达32%，实乃高效经济的有机能源回收途径（回顾往期内容）。近年来，基于出水生产绿氢似乎也被关注之，但只有绿色或谷电能源（如，风能/太阳能或夜间剩余谷电）作为输入生产的氢方可称得上绿氢；否则，得不偿失，会造成约20%电量损失。

与化学能和太阳能相比，出水余温热能回收潜力巨大，可达化学能的6~8倍之多。匡算表明，出水余温可回收电当量分别为1.77 kW·h/m3（供热，ΔT=4°C；COP=3.5）和1.18 kW·h/m3（制冷，ΔT=4°C；COP=4.8）。虽余温热能为低品质热能，但可直接用于区域供暖/制冷、农业温室，甚至可低温污泥干化，完全可取代干化对煤电能源的依赖（回顾往期内容）。水务和能源部门可共同规划利用这部分热能，潜力巨大。当然，污水余温热能交换应以处理出水作为媒介，而不应在污水管线上原位直接交换，以避免冬季水温降低而影响后续污水处理厂生物处理效果。

技术路径

相较于当前资源或能源回收“分散”、“独立”的看法，论文观点关注于资源与能源的综合利用，而不是“单打独斗”或“各自为政”。“强强联合”才能“相得益彰”，以提高污水资源与能源回收利用效率，同时实现污水处理厂碳中和运行，最终达成可持续发展目标。

在循环/蓝色经济背景下，基于污水资源与能源回收路线，建议综合回收技术主要包括4个关键步骤：