導讀： 一座中國的日處理量十萬噸的污水處理廠，通過應用新技術，每年可以貢獻180萬美元的利潤，而應用常規工藝，每年則要消耗460萬美元的成本。那么是什么會加快“資源工廠”的到來?

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年發表在《nature》上的一篇文章。“污水是資源”在近年來已經成為行業共識。在這篇文章中，俞漢青教授以技術語言為讀者描繪了這樣的圖景:一座中國的日處理量十萬噸的污水處理廠，通過應用新技術，每年可以貢獻180萬美元的利潤，而應用常規工藝，每年則要消耗460萬美元的成本。那么是什么會加快“資源工廠”的到來?在俞老師看來，政府的經濟政策，產業政策和技術引導至關重要。

前言

對生活和工業廢水進行適當處理并進行飲用、灌溉等再利用，其成本是昂貴的。僅處理來自烹飪、洗滌、清潔和衛生的家庭灰水，就要占據全球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)。

工業廢水的處理成本更高。隨著世界人口的增長，發展中國家逐漸執行更嚴格的水質標準，這些成本將在未來十年繼續增加。如果能從廢水中捕獲有價值的化學品，包括碳、氮和磷，將能回收一些經濟成本。例如，污水處理廠可以利用甲烷產生電力而不是單純消耗它。采用新興技術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、哪些技術是最有用的，以及如何進行技術組合，都可能成為前進道路上的絆腳石。本文概述了對生活污水中的污染物進行回收再利用的方案，如何將如今每年需花費數百萬美元的污水處理廠搖身一變為每年產值超過100萬美元的能源大戶。如果能將類似的方案應用于更多樣化的工業廢水，將會帶來更多的好處。

廢水中的價值

生活污水中有我們日常生活產生的各種廢棄物，糞便、脂肪、食物殘渣、洗滌劑和藥物。在化學方面，1立方米的生活廢水含有300～600g COD，40～60g氮(以銨和有機化合物的形式)，5～20g磷(磷酸鹽和有機化合物)，10～20g硫(主要是硫酸鹽)和痕量的重金屬離子。

在過去的一個世紀，大部分生活廢水都使用好氧的“活性污泥法”進行處理，在氧氣和細菌的共同作用下，氧化污染物,這種方法簡單，對除去有機化合物、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10萬噸/天的中型的污水處理廠消耗的電力與中國城鎮5000人(每立方米廢水約0.6KWh)相當，并且每天的碳足跡相當于6000輛家用汽車的二氧化碳排放量。

最關鍵的是，廢水中有機物所含的能量被大量浪費，氮和磷都是制造肥料的原材料。通過加入鈣、鐵或鋁鹽沉淀，90%的磷最終掩埋在填埋場中，這種沉淀物不能被植物吸收，并且經常還受到有毒金屬污染。同樣，超過80%的氮通過微生物轉化為氮氣而損失。該過程還產生大量的“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)或焚燒這些污泥占處理設施總成本的30～50%。

一些污水廠對污泥進行厭氧消化。在缺氧的情況下，微生物將復雜的有機物質分解成更簡單的有機分子，然后將其轉化為甲烷。通過燃燒甲烷以產生電和熱，厭氧消化可抵消活性污泥法20~30%的能量和溫室氣體成本。但消化過程緩慢，通常需要10～20天。

新興工藝的發展

將厭氧工藝直接應用于生活廢水可以完全逆轉這些成本，甚至產生過量的能量，但是目前在環境溫度和低濃度的有機物下，厭氧工藝是不適用的。兩種新技術正在嘗試進行這方面的突破。第一種技術是厭氧膜生物反應器(AnMBR)。它使用多孔膜來滯留和濃縮固體(包括顆粒有機物質和產生甲烷氣體的緩慢生長的微生物)和污水中90%以上的溶解有機物。通過延長材料的降解時間，每立方米污水可產生25～100%的甲烷。然后，可以通過氣體或真空技術對90%以上的溶解態甲烷進行提取(濃度為10～20毫克/升)，整個過程的耗能僅需要0.05KWh/m3。

AnMBR技術已在幾個案例中成功用于生活污水處理。韓國富川污水處理廠已經運行了2年多，日處理量為12立方米。將AnMBR技術進行大規模工程化應用的最大挑戰是“膜堵塞”或“膜污染”。使用氣泡或流化顆粒活性炭沖洗膜表面，需要耗能0.2~0.6KWh/m3，基本與活性污泥法的能耗相當。

第二種技術是微生物電化學電池(MXC)，其以微生物燃料電池的模式直接產生電力，或者在微生物電解電池中產生富含能量的化學物質，例如氫氣。MXCs利用一些細菌的能力，當它們代謝有機物質時，通過其細胞膜將電子轉移到外部的受體。如果傳遞到燃料電池的陽極，則電子可以傳遞電流。

MXC的產品——電或氫氣——比甲烷更有價值，并且易于使用。但所涉及的反應過程緩慢(需要幾天)。一個提議是將MXC與AnMBR集成，以加速有機物質的轉化，同時產生甲烷和電或氫。

但是目前的MXC在工程化應用上表現不佳。擴大或堆疊多個單元增加了它們的電阻并降低了可以回收能量的效率。據報道，英國Howdon的一個120升微生物電解池盒，其回收的電能輸入不到氫氣的一半;另一個安裝在中國哈爾濱的250升微生物燃料電池單元，只能將有機物質中7%的能量轉化為電能。

營養物的回收

氮和磷的情況怎樣呢?厭氧處理工藝將氮和磷轉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。但更有價值的氮和磷是可以儲存和運輸的形式。一種選擇是鳥糞石，鳥糞石是一種通過添加鎂和石灰沉淀的緩釋肥料。污泥或家畜廢水中發現的磷酸鹽和銨的濃度一般較高(數百毫克每升)，但是生活廢水中的濃度較低。

兩種新興技術——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。

編輯：趙凡