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污水處理中污染物的回收利用技術(shù)解析

時(shí)間:2017-03-27 10:36

來(lái)源:中宜環(huán)科環(huán)保產(chǎn)業(yè)研究

作者:張婧怡

評(píng)論(

導(dǎo)讀: 一座中國(guó)的日處理量十萬(wàn)噸的污水處理廠,通過(guò)應(yīng)用新技術(shù),每年可以貢獻(xiàn)180萬(wàn)美元的利潤(rùn),而應(yīng)用常規(guī)工藝,每年則要消耗460萬(wàn)美元的成本。那么是什么會(huì)加快“資源工廠”的到來(lái)?

3月22日是世界水日,今年的主題是why waste water,我們特別推出俞漢青教授在2015年發(fā)表在《nature》上的一篇文章。“污水是資源”在近年來(lái)已經(jīng)成為行業(yè)共識(shí)。在這篇文章中,俞漢青教授以技術(shù)語(yǔ)言為讀者描繪了這樣的圖景:一座中國(guó)的日處理量十萬(wàn)噸的污水處理廠,通過(guò)應(yīng)用新技術(shù),每年可以貢獻(xiàn)180萬(wàn)美元的利潤(rùn),而應(yīng)用常規(guī)工藝,每年則要消耗460萬(wàn)美元的成本。那么是什么會(huì)加快“資源工廠”的到來(lái)?在俞老師看來(lái),政府的經(jīng)濟(jì)政策,產(chǎn)業(yè)政策和技術(shù)引導(dǎo)至關(guān)重要。

前言

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(lèi)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)?、洗滌劑和藥物。在化學(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?;钚蕴繘_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?。一種選擇是鳥(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。

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編輯:趙凡

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