污水处理中污染物的回收利用技术解析

简介：中国每天处理10万吨的污水处理厂，通过采用新技术，每年可以贡献180万美元的利润。采用传统工艺，每年将消耗460万美元。那么什么会加速“资源工厂”的到来？

3月22日这是世界水日。今年的主题是为什么要浪费水。 2015年，我们特别向余汉青教授介绍了“自然”。一篇文章。 “污水是一种资源”近年来已成为行业共识。在这篇文章中，余汉清教授将这幅画描述为一个技术语言的读者：一个日处理能力为10万吨的污水处理厂在中国可以贡献180万美元每年通过应用新技术。这个过程每年花费460万美元。那么什么会加速“资源工厂”的到来？俞认为，政府的经济政策，产业政策和技术指导至关重要。

前言

生活和工业废水的成本经过适当处理并重新用于饮用，灌溉等昂贵。处理来自烹饪，洗涤，清洁和卫生的家用灰水只占世界电力消耗的3％，并释放5％的非二氧化碳温室气体（主要是甲烷）。工业废水处理成本更高。随着世界人口的增长，发展中国家逐步实施更严格的水质标准，并且这些标准也得到了实施未来十年成本将继续增加。如果您可以从废水中捕获有价值的化学物质，包括碳，氮和磷，您将能够收回部分经济成本。例如，污水处理厂可以使用甲烷发电，而不是简单地消耗甲烷。新兴技术的使用可以有效回收磷肥和铵肥。然而，阻碍建立“污水处理厂”的原因是什么？过程不确定性，哪些技术最有用，以及如何实施技术组合，都可能成为前进道路上的绊脚石。本文概述了生活污水污染物回收利用计划，污水处理厂改造方案，目前每年需要花费数百万美元，成为年产值超过100万美元的能源。如果类似的解决方案可以应用于更多样化的工业废水，则会有更多的好处。废水中的价值我们在家庭废水中有日常生活各种废物产生的活体，粪便，脂肪，食物残渣，洗涤剂和药物。在化学方面，1立方米的生活污水含有300-600克COD，40-60克氮（以铵和有机化合物形式），5-20克磷（磷酸盐和有机化合物）和10-20克硫（主要是硫酸）。盐）和痕量重金属离子。在过去的一个世纪里，大多数国内的废水都已经进行了有氧“活动”在氧气和细菌的共同作用下，污染物被氧化，这种方法简单，去除有机物，氮和磷是有效的，但活性污泥工艺消耗了巨大的能量并释放出碳足迹。中等污水处理厂耗电量相当于中国城镇5000元（每立方米废水约0.6千瓦时），日均碳足迹相当于6000辆家用汽车的二氧化碳排放量。

新兴工艺的发展

直接在家庭废水中使用厌氧工艺可以完全扭转这些成本，甚至产生过多的能量，但目前处于环境温度和低浓度的有机物质。厌氧过程不适用。两项新技术正试图在这一领域取得突破。第一种技术是厌氧膜生物反应器（AnMBR）。它使用多孔膜来保留和浓缩固体（包括微粒有机物和产生甲烷气体的生长缓慢的微生物）以及90％以上的废水中溶解的有机物质。通过延长降解ti我认为，每立方米污水中可生产25％至100％的甲烷。然后，90％以上的溶解甲烷可以通过气体或真空技术（浓度10-20毫克/升）提取，整个过程的能耗只需要0.05千瓦时/立方米。 AnMBR技术已成功应用于生活污水处理中。韩国富川污水处理厂已运行两年多，日处理能力为12立方米。 AnMBR技术在大规模工程应用中面临的最大挑战是“膜堵塞”或“膜污染”。使用气泡或流化颗粒活性炭冲洗膜表面需要0.2至0.6千瓦时/立方米的能量消耗，这是巴与活性污泥法的能耗相当。第二种技术是微生物电化学电池（MXC），它可以直接在微生物燃料电池模式下发电，或者在微生物细胞中产生能量丰富的化学物质，例如氢气。 MXCs利用一些细菌将电子通过细胞膜转移到外部受体的能力，因为它们能够代谢有机物质。如果输送到燃料电池的阳极，电子可以携带电流。 MXC的产品 - 电力或氢气 - 比甲烷更有价值，易于使用。但是，所涉及的反应很慢（需要几天）。一个建议是将MXC与AnMBR结合起来，以加速有机物的转化，同时产生甲烷和乙烷ectricity或氢。但目前的MXC在工程应用中表现不佳。扩大或堆叠多个电池会增加其电阻并降低能量回收的效率。据报道，英国豪顿的一台120升微生物电解池可以回收不到氢气输入功率的一半;另一个安装在中国哈尔滨的250升微生物燃料电池只能转换有机材料中7％的能源。对于电能。

营养恢复

氮和磷怎么样？厌氧过程将氮和磷转化成铵离子和磷酸根离子进入流出物。可以使用污水灌溉附近的田地。但是，更有价值的氮和磷可以储存和运输。一种选择是鸟粪石，它是一种通过加入镁和石灰而沉淀的缓释肥料。在污泥或畜牧废水中发现的磷酸盐和铵的浓度通常很高（每升几百毫克），但生活废水中的浓度很低。两种新兴技术 - 离子交换和电渗析 - 可以捕集和浓缩磷和氮，足以从废水中作为鸟粪石回收。在离子交换中，磷酸根离子与阴离子如碳酸盐交换，或者铵离子与阳离子如钠离子交换，最后被铁基氢氧化物，沸石和聚合物等物质吸附。在电渗析中，电场和膜分离磷基于电荷和尺寸的差异，来自其他离子的氮离子和氮离子。这两项技术仍在进行小规模调试。问题包括无法从交换器中完全回收离子;交换器或膜与有机物的堵塞;盐浓缩物的污染;并且问题的成本很高。例如，目前膜的价格是每平方米几百美元。磷和氮的电渗析萃取（回收率为90％）分别消耗约0.23千瓦时/立方米和0.14千瓦时/立方米，这大约是活性污泥法消耗的能量的三分之二。使用MXC可以抵消通过发电部分输入的能量，但微生物和生物分子会聚集在一起混合膜污染。特别是废水中的氮回收将对全球产生影响。在实验室中，与磷的提取相比，氮的提取不太受关注，因为大气中的氮容易降低氮肥的合成。但涉及的过程 - 固氮Haber-Bosch工艺 - 是一个高能耗密集型工艺：它甚至占全球年度能耗的百分之几。只要取代现有的5％氮肥生产，就可节约50多瓦时的能源，相当于节省中国每年1.5％的电力消耗。污泥是由废水中微生物的生长产生的生物质，如粪便，纤维和其他固体。 SLUdge是含有氮和磷的厌氧消化副产物。如果它们在厌氧处理（为了避免产生甲烷气体或气味）和解毒（无病原体或有害化学物质）过程中保持稳定，可将其直接施用于土壤。美国将55％的处理污泥重新用于土地，但这种做法受到公众和监管机构的压力，因为污泥难以完全稳定和解毒，重金属会积聚。热处理使污泥更容易使用和更安全。它杀死病原体，增加养分保留并减少重金属释放。利用燃烧甲烷产生的热量可进一步降低能耗，但污泥的安全性仍有待进一步改进和评估在更大的范围内。污水处理厂的最终产品是water water具有巨大的经济价值：世界饮用水的平均价格是每立方米2美元。不同的用途需要不同质量的水 - 从最干净的饮用水到较低质量的水用于冷却或工业用途。因此，处理过程也需要相应改变。在中国，只有15％的处理过的水被重复利用，高达98％的饮用水进入市政和工业用水行业。事实上，这些地区不需要如此高质量的水。我们需要一个具有“适用性”的治疗和重用策略。经济效益据估计，一个生活污水处理厂的日处理能力为中国大约50万人口的城市服务每天10万立方米。我们计算，该资源工厂每天可以生产约17,000千瓦时的电力，回收1吨磷和5吨氮，并回收1000立方米的饮用水。相比之下，同样大小的活性污泥设备（厌氧消化）将消耗5万千瓦时的电能，不会回收磷或氮。因此，资源工厂每天可以节省67,000千瓦时（这不考虑化肥生产节省的能源），相当于城市日耗电量的1.5％。我们估计这个资源工厂每年可以产生180万美元的利润（不包括建筑成本），而acti每年污泥处理厂耗资460万美元。这意味着，即使只有1％的再生水被当作待售饮用水处理，与根本没有销售饮用水的情况相比，利润可以增加十倍。来自农业，食品和石化行业的工业废水可能具有更高的经济效益。例如，AnMBR工艺可以从石化废水中去除高达98％的有机物（约18 kg / m3），比生活污水处理产生的甲烷高100倍。畜牧业废水富含有机分子和磷，已成为重要的能源和肥料来源。政府的支持对废水处理的发展至关重要督促工厂和促进可持续水资源市场。在未来的十年中，从化石燃料能源中提取废水资源的成本以及目前的处理方法仍然很高。为什么？由于环境成本尚未纳入定价范围，新兴污水回用技术尚未从规模经济中获得显着效益。随着能源，资源和全球变暖压力的加剧，优先事项是否会随之改变。

下一步应该是什么？国家政府必须有一个监管框架，包括废物处理和温室气体排放的成本。他们必须投资于早期商业或早期阶段使用技术的规模示范;潜艇确定再生产品的销售额;并增加使用循环资源概念可带来的好处。政府和公司应提供有针对性的研究经费以及土地和基础设施服务。为保证产品的适用性，技术开发必须广泛吸收管理机构，工程师，研究人员和监管机构和污水处理设施公众的意见。国家政策的制定应适应当地的环境，经济和社会条件。工业化国家在更换老化处理设施时应整合新兴流程。中国和印度等新兴经济体在扩大水处理时应在全球经济中进行合作更新能力。