登录注册
请使用微信扫一扫
关注公众号完成登录
[研究背景]
熵(Entropy)是热力学中的一种抽象概念,可被用以描述一个封闭系统自发陷入无序乃至崩溃的趋势,即,是对系统混乱度或不可用度的度量。对于地球及其生态系统来说,得幸于太阳能所赋予的逆熵增(Negentropy)助力,物质再生(例如,光合作用、矿物富集、沉积和矿化等)可有效避免或延缓系统过度熵增,维系地球生命延续。显然,地球及其生态系统稳定需要熵增-逆熵增保持相对平衡。
近年来,熵的概念已被应用于环境质量评估、微生物学探究、新兴材料研发及其机械设计等领域。而在环境相关领域,逆熵增则被作为描述系统可持续性(Sustainability)的指标。
宏观上,文明程度不断进步为人类带来了舒适与高尚的生活方式;同时,现代文明也使得自然资源和能源被过度消耗。这就直接加剧了生态系统的熵增,破坏了生态平衡。作为人类排放的污染物,污水也是这一过程中的熵增因素。因此,从熵角度对污水及其处理技术进行分析是可行、且具有指导意义的。
实际上,污水生物处理(包括好氧和厌氧过程)是基于仿生学的一种形式。它通过增加曝气、混合与碳源/药剂等来强化净水能力。然而,因额外能量与物质消耗,反倒加剧了系统熵增,即,“以能消能”和“污染转嫁”现象持续发生。例如,传统污水处理(Conventional Wastewater Treatment, CWWT)侧重于去除污水中有机物(COD)、氮(N)和磷(P),但在处理过程中往往使得潜在有机能量和营养物质被破坏并浪费,大大降低这些物质再生循环的可持续性。因此,传统污水处理实际上是一个加剧熵增(物质/元素衰败)、且延缓逆熵增(物质/元素再生)过程。与此同时,污水处理系统熵增将不可避免地导致环境退化和资源枯竭。
正因如此,发展可持续污水处理(Sustainable Wastewater Treatment, SWWT)去降低、甚至避免污水处理熵增风险是实现碳中和与资源回收的必由之路。那么应该如何实现可持续污水处理?或许从熵的角度能够获得答案。
该项研究成果刚在线发表于《Water research》杂志Making Waves(掀浪)(一区SCI,IF=11.236)。
[污水处理与熵增]
如前所述,污水处理是一个熵增过程。其主要体现在:
i)物质层面,进水中大多数有机物(碳水化合物、蛋白质、脂肪等低熵物质)逐步分解为大量无组织小分子无机物(CO2、H2O等高熵物质);
ii)能量层面,有机物中高品位能量被微生物摄取、利用而转化为低品位能量,大大降低了该物质的可利用度。
宏观上,这就是微生物不断耗散能量并形成新的生物质并维系复杂细胞系统的新陈代谢过程。
然而,若不涉及资源与能源回收,微生物新陈代谢实际上是将污水中大量低熵物质转化为相对稳定的高熵物质过程。若涉及额外物质/能量消耗,则会进一步加剧系统熵增,进而加剧偏离自然熵增-逆熵增平衡,直至生态系统崩溃。此外,若使用人工合成材料去除水中污染物,应以可回收/降解材料研发为导向,避免额外高熵物质引入,导致熵增风险。因此,污水处理应避免过度熵增,并尽可能创造逆熵增情景,以维系自然熵循环。
[资源/能源回收与逆熵增]
相比之下,在农耕时代原生态文明之下,人类凭借“粪尿返田”方式回收营养物质、并净化污水;无形中,正契合了自然熵循环过程:养分(C,N,P,K等)和能量在人与土地/粮食之间不断交换,实现了物质循环。正因如此,古时生态系统得以维持相对平衡。然而,伴随着工业革命而出现的城市化产生了现代厕所和下水道系统,这就使得大量污水集中流向自然水体,加剧了环境熵增;并且,随污水流失的营养物质和能量大大延缓了逆熵增过程。显然,由污水及其处理引起的加剧熵增和延缓逆熵增都会危害生态系统平衡。为此,将传统污水处理转向可持续污水处理来促进逆熵增具有非凡意义。其中,资源与能源回收是一种非常有效的逆熵增手段。
[熵概念下的可持续污水处理]
为了实现可持续污水处理,提高污水处理投入与产出比甚为关键,即,节能降耗(延缓熵增)与资源/能源回收(促进逆熵增)。然而,仅仅依靠延缓熵增来实现熵循环相对平衡是远远不够的。因此,通过资源与能源回收实现逆熵增在可持续污水处理中至关重要。
其中,资源回收能够直接提高物质的可持续性,减少环境污染;能源回收能够补充碳中和运行所需的能量。在此方面,需要特别提及的是,污泥厌氧消化作为化学能回收的常用技术,其终端产品甲烷(CH4)却是高熵物质,它一旦发生泄漏便会加剧温室效应(CH4温室效应为CO2的28倍);并且CH4完全燃烧后会产生熵值更高的CO2。因此,从维持系统低熵循环角度,污水中有机物不应通过厌氧消化转化为CH4,而应向具有高附加值的低熵有机物转变,例如,PHA(生物塑料),EPS(胞外聚合物)/ALE(藻酸盐)等产品。
在能源回收方面,应聚焦出水余温热能。这不仅能够满足一定的社会供暖/制冷需要,且可以用于原位低温干化(提取高值有机物后的)污泥,并最终实现自持焚烧与热电联产。最后,从污泥焚烧后灰分中可提取磷和重金属,而其残渣最终可用作建材。
其中,污泥焚烧灰分磷回收能够有效降低磷危机风险,避免磷肥生产过度依赖磷矿资源;出水余温热能回收不仅可助力污水处理厂间接实现碳中和运行,甚至可以形成大量可用于碳交易的“负碳”场景。更为重要的是,资源与能源回收可极大促进系统逆熵增,降低环境日益增长的熵增风险,有效助力生态循环,即,发展蓝色经济。
总而言之,基于工业革命的现代文明发展使人类文明严重偏离了自然熵循环。环境自净作用已无法消纳这一过程产生的过度熵增。旨在提高污水净化能力的传统污水处理实际上是在进一步加剧污水处理对环境的熵增,甚至延缓了以物质再生为主导的逆熵增过程。因此,开发强调资源与能源回收的可持续污水处理来延缓熵增并促进逆熵增一定是今后污水处理的首要目标。
[结论]
水体自净作用能够在一定程度上维系自然熵循环,但随着越来越多污水产生,这一作用逐渐变得非常有限,特别是在城市区域。
污水会导致环境熵增,而传统污水处理则会加剧熵增过程。
必须发展可以延缓熵增、促进逆熵增的可持续污水处理。其中,资源与能源回收能够有效促进逆熵增。
污水中有机物应以高附加值产物形式回收,而不应经厌氧消化转化为CH4。此外,我们应充分利用污水中所含热能,实现污水处理碳中和运行,甚至形成“负碳”场景。
特别声明:北极星转载其他网站内容,出于传递更多信息而非盈利之目的,同时并不代表赞成其观点或证实其描述,内容仅供参考。版权归原作者所有,若有侵权,请联系我们删除。
凡来源注明北极星*网的内容为北极星原创,转载需获授权。
北极星水处理网获悉,4月24日,江苏省公共资源交易平台发布江苏通州湾示范区绿色化工拓展区达标尾水排海工程勘察设计项目中标候选人公示,拟确定中标人为上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司。详情如下:江苏省工程建设项目中标候选人公示根据工程招标投标的有关法律、法规、规章和该工程招标文
北极星水处理网获悉,4月25日,生态环境厅召开新闻通报会,会上通报了1起水污染生态环境执法典型案例。广元市某公司利用暗管逃避监管排放水污染物案2024年7月9日,根据广元市昭化区住建局转办的长滩河河道环境污染问题,广元市昭化生态环境局执法人员对广元市某公司经营的煤炭洗选厂开展突击检查。检查
北极星水处理网获悉,4月25日,荣成市水务集团有限公司荣成市宁津污水处理厂工程招标投标核准结果公示发布。该项目总占地面积31088.5平方米,建筑面积约990平方米,建设构筑物提升泵站、沉砂池、调节池、初沉池、水解酸化池、生化池、二沉池、絮凝沉淀池、滤池、消毒池、加氯加药间、中间提升泵房、重
北极星水处理网获悉,4月23日,苏州市吴江区平西生活污水厂新建工程施工招标公告发布。该项目建设规模为新建地下一体式处理池等建筑物,新增建筑面积为3905.17平方米及配套工程,新建日处理生活污水2万吨,包含基坑围护、桩基、箱体工程、建筑工程、大型土石方、道路、供水、排水、景观、绿化、安装、
4月22日,扬州市江都区人民政府发布江都经济开发区工业污水处理厂新建二期工程项目招标公告。据悉,该项目业主为扬州市江都区江扬水务有限公司,项目总投资约1.38亿,设备规模1.5万m3/d,项目配套污水管网46.5公里,中水管网11.5公里等,接受联合体形式投标。具体信息如下:江都经济开发区工业污水处理
北极星水处理网获悉,4月21日,官林凌霞工业污水厂工程总承包中标候选人公示信息发布。第一中标候选人:宜兴市公用市政工程有限公司(联合体牵头人)与徐州市市政设计院有限公司(联合体成员)组成的联合体,投标价格:212692000元第二中标候选人:宜兴市永浩建设有限公司(联合体牵头人)与苏州规划设
北极星水处理网获悉,4月22日,广东雷州经济开发区管理委员会委托湛江市湛恒环保科技有限公司编制的《雷州市产研集聚区基础设施建设项目(一期二批)污水处理厂环境影响报告书》征求意见稿发布。据悉,该项目工程总投资6887.57万元,施工期为2024年12月至2025年12月。按照《环境影响评价公众参与办法》
在“双碳”目标与《“十四五”城镇污水处理及资源化利用发展规划》的双重驱动下,中国环保行业正加速向绿色低碳转型。HUBER螺压脱水机Q-PRESS凭借“高含固率、低能耗、全场景适配”的核心优势,深度契合中国政策导向,成为污水处理厂提质增效、污泥资源化利用的标杆设备。Part.01技术硬实力:以低碳工
汨罗经发水务有限公司(采购人名称)的湖南汨罗高新技术产业开发区(循环园区)污水处理厂(2025-2027年度)两年正式运营运维服务(项目名称)进行公开招标采购,现邀请合格投标人参加投标。一、采购项目基本信息1、采购项目名称:湖南汨罗高新技术产业开发区(循环园区)污水处理厂(2025-2027年度)两
4月21日,顺控发展发布2024年年度报告,报告期内,公司实现营业收入18.39亿元,同比增长26.33%;实现扣非归母净利润2.53亿元,同比增长8.76%。据财务决算报告显示,2024年度经营情况如下:1、营业收入同比增加38,327万元,其中:(1)2023年底至2024年底,公司先后并购沧州京投、顺合环保、佳欣水务,
4月21日,湖南衡阳县蒸水河流域农村生活污水治理项目招标计划发布,公告显示,拟在衡阳县10个乡镇31个村,建设集中式生活污水处理设施19套(配套建设生活污水收集管网),其中15套处理规模10m/d、4套处理规模15m/d;建设分散式生活处理设施1931套,总投资2987.34万元。详情如下:我单位衡阳县城市和农村
北极星固废网获悉,贵阳市乌当区400吨厨余垃圾处置设施提标改造建设项目环评一次公示,项目工程总投资5200万元,主要建设内容包括前端餐厨垃圾收运系统更新完善1项、400t/d预处理工艺段提标改造1组、400t/d资源化利用工艺段提标改造1组、污水处理工艺设备更新1套、沼气利用及锅炉设备更新改造1项。公示
北极星固废网获悉,绍兴市柯桥区易腐垃圾处置项目(一期)特许经营招标文件公示,项目总投资约2.2亿,本项目分两期实施,其中一期工程易腐垃圾处置规模250t/d(其中餐厨垃圾处置规模150t/d(餐饮垃圾处置规模140t/d,地沟油处置规模10t/d),家庭厨余垃圾处置规模100t/d)。二期工程家庭厨余垃圾处置规
3月14日,四平市城市管理行政执法局发布“四平市生活垃圾焚烧发电厂异地新建项目”和“四平市餐厨垃圾处理厂运营项目”采购意向,两个项目均采购特许经营者,合计预算金额5.9亿元。项目计划于4月招标。据悉,四平市生活垃圾焚烧发电项目由北控环境集团旗下四平中科能源环保有限公司负责投资建设运营,
2025年2月11日,澳门有机资源回收中心项目开工仪式在项目现场顺利举行。澳门有机资源回收中心项目简介本项目为EPC+O(总承包+运营)模式,合同总金额18.67亿澳门元,以“未来浮岛,空中花园”为设计主题,融入澳门“岛”,展现科技“芯”。项目拟采用“高效预处理+厌氧消化+沼气发电+好氧堆肥”的餐厨
用机械格栅取代传统的初级沉淀池已经成为工程研究的焦点。若干年前德国HUBERSE公司就已经开始着手应对这一挑战。在Vohburg和Kahla项目中,HUBER设备优异的性能以及可靠的运行效果使污水处理厂在能源节约方面做到了令人印象深刻的成绩。Vohburg污水处理厂:实现能源性能优化的全面现代化改造多瑙河畔的V
项目背景本项目污泥处置厂是六安市首个污泥处置工程,主要服务周围四家污水处理厂的污泥。厂区建设分为两期,包含了厌氧消化厂区与太阳能干化厂区。一期污泥折合含水率80%,140t/d,设计出泥含水率为35%以下;二期污泥折合含水率80%,140t/d,设计出泥含水率为40%以下。污泥处置厂效果图污泥处置厂在运
近日,由江苏省环保集团所属省环境资源有限公司作为股东方之一的光国生物能源(南京)有限公司首车垃圾顺利进场。光国生物能源(南京)有限公司占地97.8亩,日处理餐厨垃圾600吨/日、废弃油脂60吨/日。采用“机械预处理+三相分离提油+湿式厌氧消化+沼气净化发电+余热利用”技术,配置4条150t/d餐厨垃圾
永兴股份公布,近日,公司及公司全资子公司与广州市城市管理和综合执法局签订了《广州市中心城区生活垃圾焚烧处理服务合同》《广州市中心城区厨余垃圾、动物尸骸、粪便生化处理服务合同》,预算金额26.36亿元。永新股份及全资子公司将受托接收垃圾,使用无害化处理方式进行处理,并保证垃圾处理设施安
8月26日,广东省生态环境厅等8部门印发《广东省甲烷排放控制工作方案》,提出到2025年,甲烷排放控制政策、技术和标准体系逐步建立,甲烷排放统计核算、监测监管等基础能力有效提升,甲烷资源化利用和排放控制工作取得积极进展。城市生活垃圾资源化利用率和城市污泥无害化处置率持续提升,污水处理甲烷
广西壮族自治区生态环境厅发布《广西甲烷排放控制实施方案(公开征求意见稿)》,广西自治区将加强甲烷排放统计核算、监测监管等基础能力,推进甲烷资源化利用和排放控制工作,强化大气污染防治与甲烷排放控制协同。自治区生态环境厅关于《广西甲烷排放控制实施方案》公开征求意见的公告为贯彻落实生态
7月16日,江苏常州市江边五期及污水资源化利用工程-深床滤池工程设计采购施工一化(EPC)中标候选人公示,第一中标候选人上海市城市建设设计研究总院(集团)有限公司,投标报价74933440.20元。招标人常州市城市排水有限公司。常州市江边五期及污水资源化利用工程-深床滤池工程设计采购施工一化(EPC)
请使用微信扫一扫
关注公众号完成登录
姓名: | |
性别: | |
出生日期: | |
邮箱: | |
所在地区: | |
行业类别: | |
工作经验: | |
学历: | |
公司名称: | |
任职岗位: |
我们将会第一时间为您推送相关内容!