本文根據(jù)中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院環(huán)境工程教授俞漢青在2014（第二屆）中國(guó)環(huán)保技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)會(huì)——“概念廠·水未來(lái)”分論壇發(fā)言整理。

大家好！

非常高興有這樣的機(jī)會(huì)，就基于能源與資源，展望污水處理工藝發(fā)展的新趨勢(shì)這一選題，跟各位嘉賓共享這方面的進(jìn)展。

城市污水中的能源與資源

現(xiàn)有的污水處理工藝，都會(huì)消耗大量的外部能源和資源。與此同時(shí)，由于低碳經(jīng)濟(jì)、全球變暖等因素，促使我們一方面要考慮減少能耗物耗，一方面又希望減少可能的新的污染物。然而，實(shí)際上不管用哪種處理方法，污水處理二氧化碳的排放量基本是不變的，也就是說(shuō)，并不是如原來(lái)許多人希望的那樣，新的污水處理技術(shù)可以直接減少碳排放。但是，近年來(lái)大家都形成了一個(gè)共識(shí)，包括新概念水廠，大家都認(rèn)為污水是一個(gè)重要的可再生資源，應(yīng)該把它耗能耗物這一基本屬性，轉(zhuǎn)變成從污水中可以回收點(diǎn)什么。其實(shí)，最主要還是回收水，通過(guò)處理得以回收清潔水，另一方面我們也希望回收資源和能源。在現(xiàn)有的城市污水處理中，我們抱著完全礦化的態(tài)度，要把磷變成磷酸鹽等，要把這種被動(dòng)的污染物處理轉(zhuǎn)變成新的工藝、技術(shù)、方法和設(shè)備，這是從理念轉(zhuǎn)化的角度來(lái)講。

具體到我們現(xiàn)在所了解的，從城市污水要進(jìn)行資源化或者能源化處理，一個(gè)是把中間的碳源以各種形式回收，最現(xiàn)實(shí)的做法是把碳源回收成可利用的甲烷，也可以做一些其他方面的嘗試，比如通過(guò)藻類產(chǎn)油，另外把污水中的氮磷通過(guò)礦物質(zhì)加以回收。

國(guó)內(nèi)外城市污水處理廠的能源與資源回收狀況

針對(duì)城市污水的能源和資源回收，國(guó)內(nèi)外城市污水處理廠的能源與資源回收狀況如下：

污水中資源化的技術(shù)途徑

污水回用

首先是水的回收，處理過(guò)的生活污水放在蓄水塘，經(jīng)過(guò)土壤入滲補(bǔ)助地下含水層，然后地下水再用水井抽出來(lái)作所謂的間接飲用，這種方法已有五十年以上的歷史，在美國(guó)已經(jīng)做得很成功，而在中國(guó)是慎用的。如美國(guó)加州的Orange County污水廠將處理好的水放在蓄水塘之后引入地下，由此誕生了“深度處理--微濾+反滲透+UV+雙氧水”的污水處理。

新加坡NEWater在海水淡化和再生水方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。此外，還有一些規(guī)模較小的新理念和新技術(shù)，如紐約的綠色屋頂，可以澆灌植物，荷蘭也有相似的技術(shù)。

氮、磷、硫回用

有些國(guó)家還嘗試過(guò)把污泥中的氮通過(guò)一系列方法加工成肥料進(jìn)行回收，但這種方法目前成本偏高。因?yàn)楝F(xiàn)有的氮肥生產(chǎn)成本遠(yuǎn)低于回收氮的成本，所以回收污泥中氮作為肥料的做法目前尚不實(shí)用。

有機(jī)物回收

關(guān)于有機(jī)物的回收，若干年前就有很多人做過(guò)，尤其是清華大學(xué)的陳國(guó)強(qiáng)教授、江南大學(xué)的陳堅(jiān)教授等，做了很多工作。我們也曾嘗試把污水中的有機(jī)碳變成塑料，加工成調(diào)羹送給朋友，說(shuō)是污水做的，結(jié)果無(wú)人用它。這些技術(shù)的價(jià)格太昂貴，在生產(chǎn)過(guò)程中要消耗非常多的能量，尤其要添加一些氯仿這類不環(huán)保的溶劑。因此，開(kāi)始的生物加工出發(fā)點(diǎn)是好的，但接下來(lái)的過(guò)程對(duì)環(huán)境并不友好，而且成本高昂。

海藻素提取

我們也曾從污水中提取出海藻素，現(xiàn)在有很多人也在做。但我個(gè)人認(rèn)為其實(shí)際應(yīng)用并不現(xiàn)實(shí)。我們經(jīng)常強(qiáng)調(diào)海藻素的市場(chǎng)成本，但從污泥中提煉出來(lái)的成本，跟我們賣的標(biāo)準(zhǔn)品價(jià)格根本是不能比的。

能源回收技術(shù)

此前，陳珺（江蘇宜興環(huán)保產(chǎn)業(yè)研究院總工程師——編者注）曾提到過(guò)協(xié)同厭氧，“協(xié)同”現(xiàn)在這個(gè)詞用得很多，就是因?yàn)槌鞘形鬯�處理廠由于自身含有的有機(jī)碳不足，要想達(dá)到一定目標(biāo)必須要協(xié)同起來(lái)做事情。比如熱電聯(lián)產(chǎn)，現(xiàn)在西方也非常流行，包括陳珺提到的奧地利和德國(guó)的一些污水處理廠。污泥的厭氧消化，現(xiàn)在國(guó)際上很多環(huán)保公司都在花比較大的力氣去做。它有若干優(yōu)點(diǎn)，包括提高厭氧消化的產(chǎn)氣率，提高污泥無(wú)害化的程度，提高污泥的脫水效果等。

另外就是光能的利用，下列圖片是德國(guó)的曼海姆污水處理廠光能回收技術(shù)圖。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)也有若干個(gè)污水處理廠正在跟一些生產(chǎn)光能的公司商談。

鳥(niǎo)糞石法回收磷的工藝已經(jīng)成熟�？傮w來(lái)說(shuō)，利用磷石的方法回收磷大家已達(dá)成共識(shí)，但是近幾年有專家的研究表明，從污水中回收的未必一定是鳥(niǎo)糞石，因?yàn)槲覀兪栈貋?lái)的這些含磷混合物可作為磷礦物資源使用。

城市污水能源與資源回收的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展

污水處理廠污染物的物質(zhì)流及能耗

我們要談一下處理廠回收的能源和資源，首先要搞清楚污水處理廠現(xiàn)在有哪些物質(zhì)，物質(zhì)的流又是什么的。污水中的COD、氮、磷等要素，經(jīng)現(xiàn)有的工藝進(jìn)行處理，可以計(jì)算得出，進(jìn)入污泥的有機(jī)碳目前大概是30%，磷有90%，其他有各種各樣的歸宿，這是從物質(zhì)流的角度來(lái)看的。而從能量的角度來(lái)看，不同的污水處理廠、不同的工藝有很大的差異，只有對(duì)污水處理廠的物質(zhì)流和能量流有了認(rèn)識(shí)和了解，收集到物質(zhì)和能量基本的分布或量化信息之后，就會(huì)明白現(xiàn)有的城市污水處理廠要真正進(jìn)行資源化處理，應(yīng)該解決哪些技術(shù)上的難題。

城市污水資源化處理的技術(shù)難題

第一是充氧效率的提高；第二是能源回收，這主要面臨著幾方面的問(wèn)題，一個(gè)是污水有機(jī)碳的富集，二是如何把收集好的有機(jī)碳提高厭氧轉(zhuǎn)化；第三是礦物的回收，包括磷的有效回收；第四是污水處理廠要有很好的方法保證它能夠運(yùn)行，在中國(guó)這個(gè)問(wèn)題尤其嚴(yán)重。

充氧效率的提高

概括來(lái)說(shuō)，充氧效率的提高，對(duì)于處理工藝而言，一個(gè)是精確曝氣，一個(gè)是精準(zhǔn)曝氣，也就是針對(duì)污水處理過(guò)程中，某一個(gè)階段或者某一個(gè)要去除的物質(zhì)更好地控制曝氣量，降低能耗。但實(shí)際上除此之外，還有一些方法，比如納米氣泡曝氣，日本在這方面做了很多方面的研究，氣泡在水中存在的時(shí)間長(zhǎng)，傳質(zhì)效率高，比表面積巨大，還可以降低曝氣的能耗，而潛在問(wèn)題是曝氣系統(tǒng)的堵塞，需要更多的研究才能實(shí)用化。

污水有機(jī)碳的富集

污水中有機(jī)碳的富集有兩種方式：一種是物理化學(xué)的方式，一種是生物法。物理化學(xué)的方式就是萃取、吸附，最現(xiàn)實(shí)的是生物膜技術(shù)，能夠有效地把城市污水中的有機(jī)碳較好地富集起來(lái)。陳珺多次提到AB法，實(shí)際上是有效地把廢水中的有機(jī)碳在短時(shí)間內(nèi)高效地加以富集。此外，還可以把污泥適當(dāng)活化以后再吸附，但是這樣的效果有限，對(duì)溶解性效率比較差，還存在COD吸脫附的問(wèn)題。

污泥厭氧消化效率的提高

我國(guó)污水廠污泥的厭氧消化存在有機(jī)物含量低、無(wú)機(jī)沙粒含量高、污泥能量密度高、甲烷回收率低等問(wèn)題，但這些問(wèn)題并不是沒(méi)有解決方案。如果是合流制，污水中含沙量比較高，為提高污泥有機(jī)質(zhì)含量，可以在進(jìn)水口對(duì)泥沙顆粒進(jìn)行分離，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)的雨污分離。污泥厭氧消化的改進(jìn)技術(shù)，從近年來(lái)的研究和實(shí)踐來(lái)看，納米零價(jià)鐵可以應(yīng)用在厭氧消化過(guò)程中。納米零價(jià)鐵粒徑小、體表面積大、活性高，本身及其產(chǎn)物對(duì)環(huán)境無(wú)害，且價(jià)廉易得。另外一個(gè)問(wèn)題是污泥的強(qiáng)化脫水，現(xiàn)在一個(gè)重要的研究方向就是要把微生物表面的胞外多聚物EPS降解，釋放結(jié)合水，這另一方面也有利于降低細(xì)胞的穩(wěn)定性，釋放內(nèi)部結(jié)合水，還可以降低表面張力，這方面最近也引起了人們的興趣。從廢水富集到有機(jī)碳，再進(jìn)行污泥的厭氧消化回收能源，我們很有希望看到顯著的改進(jìn)效果。

低濃度磷的有效回收

再談磷的問(wèn)題，低濃度磷的有效回收。下圖這張圖講的是全球?qū)α椎男枨�，�?duì)這個(gè)問(wèn)題可以清晰的闡述：工業(yè)采礦富集到2025年將達(dá)到高峰期，之后全世界的磷礦將被耗盡。這個(gè)圖很清晰地地解釋了從污水中回收磷的做法將是挽救全球糧食生產(chǎn)的唯一途徑。所以，一位專家曾講過(guò)，用原子能、核能能夠代替煤的發(fā)電，但是現(xiàn)在卻找不到可以能夠代替磷的物質(zhì)。因此，從這個(gè)角度來(lái)講，城市污水中磷的回收是人心所向、大勢(shì)所趨。但對(duì)這件事我個(gè)人有點(diǎn)懷疑，從1噸水中回收3克磷是否值得？如何提高磷的回收效率？目前關(guān)于磷的回收技術(shù)，基本上都是圍繞加鈣、加鎂來(lái)做的。

污水生物脫氮

污水脫氮是近40年來(lái)環(huán)境工程界最活躍的研究領(lǐng)域，如果對(duì)這個(gè)關(guān)鍵詞進(jìn)行檢索的話，跟氮有關(guān)的方面研究工作非常多，也不斷取得進(jìn)展，如：反硝化脫氮、硝化、亞硝化、甲醇反硝化、短程反硝化等等，這讓我們看到了希望。然而，目前污水處理面臨非常大的技術(shù)瓶頸就是氮的脫除和回收。

關(guān)于厭氧氨氧化的發(fā)現(xiàn)有個(gè)故事。20世紀(jì)80年代末到90年代初，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)Kuenen教授指導(dǎo)的學(xué)生Mulder，在運(yùn)行一個(gè)三級(jí)反應(yīng)器系統(tǒng)時(shí)，觀察到第二級(jí)硫化床反應(yīng)器中的氮“不知去向地”出現(xiàn)大流失了。他們結(jié)合1977年奧地利理論學(xué)家Broda的化學(xué)熱力學(xué)預(yù)測(cè)，在國(guó)際上首次發(fā)現(xiàn)了Anammox（厭氧氨氧化菌）�，F(xiàn)在應(yīng)該說(shuō)歐洲人走在了Anammox方面研究和應(yīng)用的前列，而且他們正在做各種各樣的有趣的嘗試，讓我們看到在主流工藝上應(yīng)用Anammox的可能性。與此同時(shí)，美國(guó)也在做這方面的嘗試，也試圖在主流工藝上使用Anammox。但是，Anammox要真的在主流工藝上進(jìn)行應(yīng)用，還要解決一系列富有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。第一個(gè)是低溫條件下的高效穩(wěn)定運(yùn)行；第二個(gè)是如何在高碳氮比不太協(xié)調(diào)的情況下，或者低氮濃度以及低溫環(huán)境下淘汰或者移植異常反硝化菌和NOB；還有如何保證Anammox菌在反應(yīng)器內(nèi)有足夠的生物停留時(shí)間，從而抵消其低生長(zhǎng)速率的影響。針對(duì)這些問(wèn)題，國(guó)際上也做過(guò)一些相應(yīng)的嘗試，最近發(fā)現(xiàn)溫度低沒(méi)有太大的關(guān)系，如果控制好的話Anammox還可以運(yùn)行，但是Anammox的效率會(huì)有所下降。我們可以借助厭氧和厭氧氨氧化污泥顆�；�技術(shù)的進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)主流工藝的厭氧氨氧化。

關(guān)于污水中氮的去除我有些思考：是否應(yīng)該污水脫氮？至少是不是在所有地方都應(yīng)該對(duì)氮有很嚴(yán)格的要求？如果使用在農(nóng)田或園林灌溉中，氮的存在是有意義的。另外一個(gè)原因就是成本太高，包括現(xiàn)在的投加碳源技術(shù)。還有水體的生物固氮，藻類細(xì)菌每天輸入水體中的氮可能超過(guò)我們污水處理廠脫除的氮。再者，現(xiàn)在我國(guó)的大氣氮沉降也很嚴(yán)重，其導(dǎo)致水體中氮含量的增加也不容小視。如果說(shuō)一定要污水脫氮，現(xiàn)有的方法是生物脫氮，但現(xiàn)在看來(lái)生物脫氮較難，是不是可以用其他化學(xué)的方法脫氮？如使用新的氮吸附劑？

關(guān)于好氧顆粒污泥，1991年日本和韓國(guó)分別有文章發(fā)表最早提出好氧顆粒污泥的概念，當(dāng)時(shí)反應(yīng)器用的是純氧曝氣。90年代末期，有幾個(gè)小組做得比較好，后來(lái)把好氧工作做得最有影響力、真正讓好氧顆粒污泥被更多人喜歡乃至接受的，應(yīng)該是Mark van Loosdrecht教授。新加坡的鄭俊華和劉雨小組、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)環(huán)境工程實(shí)驗(yàn)室也開(kāi)展了多年的好氧顆粒污泥研究。van Loosdrecht提出好氧顆粒污泥的判別標(biāo)準(zhǔn)為：污泥平均顆粒大于0.2毫米即為好氧顆粒污泥。實(shí)際上這個(gè)說(shuō)法值得商榷。顆粒和絮體相比，從比重、大小、沉降速度和生物活性來(lái)看，顆粒有很多優(yōu)勢(shì)，顆�？梢蕴岣吖桃悍蛛x效率，出水水質(zhì)好，節(jié)約占地和投資，這是好氧顆粒帶來(lái)的好處�，F(xiàn)在從工程應(yīng)用角度來(lái)說(shuō)，荷蘭做得比較成功的污水廠，是EPE污水廠，這個(gè)廠跟荷蘭其他的污水處理廠從能耗上相比，展現(xiàn)了不少優(yōu)點(diǎn)。但是好氧顆粒在中國(guó)用起來(lái)還是比較困難的。這個(gè)頁(yè)面是江南大學(xué)王碩博士提供的，從這上面可以看出好氧顆粒在各個(gè)階段的應(yīng)用條件。歐洲人已經(jīng)利用COD濃度為500毫克/升的污水培養(yǎng)出好氧顆粒，而我們?cè)诤戏世��?/span>COD濃度為180毫克/升的污水培養(yǎng)顆粒就非常艱難。現(xiàn)在，在中國(guó)城市污水處理應(yīng)用好氧顆粒技術(shù)存在一系列的問(wèn)題，如進(jìn)水水量不穩(wěn)定、進(jìn)水水質(zhì)不穩(wěn)定等。因此，真的要在中國(guó)用好氧顆粒處理城市污水，還有許多工作要去做。

城市污水能源與資源回收技術(shù)和可能的工藝展望

最后做一點(diǎn)展望，這個(gè)頁(yè)面是王凱軍老師提供的。其中有UP concentration，一些技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用還在實(shí)驗(yàn)室階段。

那為什么要有其他的回收方式？我們可以直接把污水作為能源用來(lái)產(chǎn)電的話，效率可以提高。有機(jī)廢水或者城市污水有沒(méi)有可能用來(lái)直接產(chǎn)電？這個(gè)圖中的微生物燃料電池的基本原理跟化學(xué)燃料電池是一樣的，最大的差別就是它的陽(yáng)級(jí)催化劑，且是由污水作為原料。目前來(lái)說(shuō)，微生物燃料電池真正用污水處理還有很長(zhǎng)的路要走，還有很多困難要克服。

另外是基于Anammox的工藝路線，基本上無(wú)論是Anammox跟AB法的合用也好或是其他方式，上下兩個(gè)圖可以把基本思路概括出來(lái)。Anammox用在城市污水處理，還有很多問(wèn)題要解決，不是在實(shí)驗(yàn)室嘗試就能真正做起來(lái)。

MCCarty教授今年夏天來(lái)到中國(guó)時(shí)，曾在哈爾濱、北京做過(guò)報(bào)告。他2011年在ES&T上發(fā)表過(guò)一篇對(duì)城市污水影響很大的文章，講能不能利用用厭氧技術(shù)直接對(duì)城市污水進(jìn)行處理。他跟韓國(guó)的小組、新加坡南洋理工大學(xué)合作，做了一些污水處理能源的核算，希望把城市污水直接用厭氧就似乎進(jìn)行處理。按照他的說(shuō)法，應(yīng)該是COD到一定的濃度，在一定的氣候條件下，這可能是最好的選擇。但幾十萬(wàn)噸污水的加熱是一個(gè)大問(wèn)題，且30%以上的甲烷會(huì)隨著出水流出去，不能回收。再有中國(guó)的城市污水處理廠在運(yùn)行管理上比西方更加困難。

謝謝各位，我今天的發(fā)言就到這里。這個(gè)報(bào)告高嵩院長(zhǎng)及其團(tuán)隊(duì)有很大的貢獻(xiàn)，也謝謝他們。