城市污水节能资源回收和再利用的有效创新方法

从厌氧处理系统到生物炼制的概念

01 作为生物炼制核心的厌氧模式的简要演变

厌氧处理是发展可持续卫生的最有前景的处理技术之一，同时也是资源和能源回收的核心技术。上流式厌氧污泥床（UASB）在市政污水处理厂成功建立并得到了广泛的认可，尤其是在废水温度通常高于20°C的热带和亚热带地区。后来，人们进一步开发了膨胀颗粒污泥床（EGSB），与UASB相比，EGSB增加了水力混合，增强了处理系统内的基质生物量相互作用。虽然成熟的UASB/EGSB结构大多满足厌氧处理所需的要求，但由于颗粒崩解的不利条件，因此又将膜技术与厌氧处理结合起来，形成了AnMBR的发展。同时，利用污泥厌氧消化（AD）的热电联供（CHP）系统已成为现有能源自给型污水处理厂最常用的技术。根据生命周期比较，与传统活性污泥加上AD相比，AnMBR技术可以产生更多的沼气净能量。AnMBR作为一种主线废水处理工艺的主要优点是能够回收废水中的大部分能量，而不是目前的好氧厌氧处理只能回收部分能量。

02 厌氧工艺中的资源回收

2.1 污水处理方面

废水厌氧处理过程中产生的沼气可作为能源。然而，大量的CH4由于溶解在废水中不能被回收，UASB等厌氧废水处理工艺因液体上流速度低和混合不足而受到限制。

在城市污水价值化的概念中，两步生物转化是发酵反应器中一种有吸引力的替代路线。废水中的复杂有机物在最终成为其他有价值的产品之前简单地转化为VFAs。这使得生物转化机制分步优化成为更直接的生物生产过程。在此过程中，VFAs的浓度和种类通常决定最终产品的质量。

AnMBR已经成功作为处理城市污水的补充设施，其COD去除率高，出水能达到大部分回用的目的。但是，如果不进一步去除营养物质，通常无法将处理后的废水排放到水环境中或进行再利用。在这方面，有人建议使用微藻从AnMBR废水中去除营养物。此外，在欧盟LIFE项目MEMORY（life memory.eu）的背景下，介绍了浸没式AnMBR（AD和膜技术的结合）。这种创新的试点实施为城市污水处理和资源回收提供了有前景的技术。

2.2 污泥处理方面

污水污泥管理是城市污水处理厂运营费用的主要组成部分。在大规模的污水处理厂中，污泥通常经过AD回收能源（富含甲烷的沼气），从而在CHP下产生热量和电能。将污泥作为其他增值工艺或者生物能源的原料的趋势也越来越大。

污水处理厂是一个综合过程，提取VFA将减少供给AD的有机物量，这最终将减少能量回收。在这方面，应精心设计和优化VFA生产和从污水污泥中提取的效益，以免影响CH4的回收。优化应着重于两个主要准则：（1）发酵和提取过程的成本（主要投资和运营费用）以及VFA使用或销售的进一步收益；（2）对CH4生成的影响。根据污水污泥产酸发酵过程中VFAs的选择性生产，VFAs还具有较高的经济价值。

WWTPs回收营养物可用于鸟粪/Ca-P沉淀或生物炭吸附实现，有研究认为应考虑采用替代的营养回收技术（即膜、电渗析）来提高回收营养的质量。结晶法回收磷还有其他一些好处，例如，产生的污泥体积以及其他不需要的沉淀物较少，最终降低了污泥处置成本。

生物聚合物是一组与石油塑料具有类似性质的聚合物，由可再生资源生产，也可由不同类型的细菌利用碳作为基质而产生。PHAs的主要优点是完全可生物降解和无毒。PHA储存细菌常见于污水处理厂的活性污泥工艺中，它们将这些聚合物作为碳源和能源储存。PHA回收是一种经济上可持续的选择。它描述了以下子过程：（1）纤维素一级污泥发酵，提高VFAs的产量，并以可溶性形式（即氨和磷酸盐）释放氮和磷；（2）发酵产物的固液分离，向污水污泥发酵液中加入Mg(OH)2形成鸟粪石利于沉淀；（3）铵在SBR中转化为亚硝酸盐；（4）通过交替改变好氧缺氧条件来驱动PHA作为碳源存储在细菌内部，同时促进反硝化过程；（5）使用进料分批反应器进行PHA累积，以最大化获得PHA。

城市污水中含有大量纤维素（占悬浮固体总量的30%~50%），纤维素作为一种可通过筛选从废水中回收的资源具有巨大的潜力。纤维素脱水污泥的好处是：化学药剂消耗减少，曝气电耗较低，磷酸盐释放较少，污泥排放量大幅度减少，污泥处理和管理成本也随之降低。纤维素回收将为污水处理厂的下游生物工艺增加效益，并用于污水处理厂下游与PHA混合，以及最终生物复合物生产的加工。

面向市场的技术

03 聚焦环境技术验证和其他性能认证

在欧盟方面，创新环境技术帮助技术购买者识别符合其需求的创新。除了技术验证外，还应使用特定的功能测试确定回收材料的特性，以便将回收产品与工业产品进行比较。与其他回收材料相比，磷酸盐、生物炭和热解材料的使用受到更多的控制和调节。因为来源不一致性和高变异性，常规生产中回收的PHA的性质表征还未明确。

04 回收材料到消费品/工业产品的价值化

有研究对从废水中回收的材料进行了可持续性评估，涉及6个不同类别：经济福利、资源消耗、环境和生物质量、技术福利、人类健康和社会福利。结果表明，从生产成本和市场价值来看，PHA和鸟粪石在经济上是可行的。然而，PHA需要进行紧急和进一步的调查，因为它显示出一些关键问题，这与生产阶段有毒化合物的可能排放和市场对食品安全的看法有关。同样，鸟粪石的利用也取决于具体应用和相关的立法，需要进一步评估。另一方面，在纸行业，纤维素回收和应用的可能性较小，因为需要额外的清洁步骤从而增加成本。