转自：环境工程与科学
9月9日，香港城市大学袁志国教授团队在Nature Sustainability发表了“Pathways to advanced resource recovery from sewage”的综述论文，总结了污水资源回收路径的最新研究进展及挑战。
一个多世纪以来，污水处理主要集中在污染控制上，有机物被氧化为二氧化碳，活性氮被转化为氮气，较少和不可生物降解的材料被浓缩成固体流作为废物处理。这些技术很好地保护了人类健康和我们的水生环境，但它们在资源效率方面表现不佳。向循环低碳经济转型势在必行，这导致人们对污水的看法发生了范式转变，从单纯的废物转变为蕴含宝贵资源。污水处理厂(STPs)被认为是三位一体的生产设施，被称为营养能源水(NEW)工厂，有望有效地回收养分、能源和循环水。例如，到2013年，美国威斯康辛州的Sheboygan STP通过利用剩余污泥和进口食物垃圾厌氧消化(AD)产生的沼气产生的电力和热量，能够分别抵消90-115%和85-90%的厂内电力和热量消耗。同样，奥地利的Strass STP通过从污水中预先分离有机碳的AD实现了108%的能源自给率，通过污水污泥和进口厨房垃圾的共消化实现了200%的能源自给率。这些例子成功地展示了从污水中回收能源的潜力。
污水管理模式正在从污染控制向资源回收转变，这是循环经济不可分割的一部分。传统上，工作重点是回收作为生物能源的有机碳和作为营养物质的氮和磷。在过去十年中，已开发出回收高价值商品的技术。与此同时，还提出了创新工艺，以生产可在污水系统中立即重复使用的化学制剂，从而促进污水管理。本综述评估了这些最新进展和基础科学发现，确定了主要挑战，并概述了实现更环保、更可持续的污水管理的路线图。
污水资源回收的先进技术：
生物能源和热能回收：生物能源和热能回收生物能源和热能回收污水是化学能的储存库，主要封装在有机化合物中。这种潜在能量可以通过AD回收，这是一种在缺氧情况下将有机物转化为沼气的过程。产生的沼气主要由甲烷和二氧化碳组成。沼气可以通过热电联产发电机转化为热能和电能。在全球范围内，AD已经成为一项强大的技术，安装在许多中大型stp上。仅在欧洲，截至2015年，11%(约2,600)的发电厂采用了AD，每年总共产生约3.5太瓦时的电力。相比之下，美国7.5%(约1200)的stp采用了AD。目前中国的AD吸收率低于5%(~ 60%)，这主要是由于中国大部分地区的污水有机含量较低所致。
营养回收：污水中含有大量的氮和磷(P)。然而，由于其浓度较低，仅为40-50 mg N和5-10 mg P，因此直接从污水中回收它们在经济上具有挑战性。在实践中，研究更多地侧重于它们在污泥线中的回收，在污泥线中氮和磷的浓度要高得多。
将废物转化为高价值商品的新兴技术:
近年来出现的技术派生出的产品比普通的新产品价值高得多。其中一些很容易存在于污水中，而另一些则在污水处理过程中形成。本文回顾了三个具体的例子，纤维素、生物聚合物和蛋白质的回收，因为它们具有强大的商业潜力。
将废物转化为化学品，循环用于污水管理：
污水资源回收的一个挑战是缺乏发达的、可销售的污水衍生商品价值链。传统上，水务公司没有在商业市场上销售产品，而材料和化学工业也没有在政府监管下从分布式生产基地购买资源。缺乏这样一个高效可靠的价值链，对从污水中大规模回收高价值商品造成了很大的限制。考虑到这一点，我们开发了创新的工艺来回收化学剂，这些化学剂可以立即在污水系统中重复使用，以促进污水管理，包括加强其他资源的回收。由于这些产品不作为商品进入市场，因此质量要求宽松得多，生产成本也低得多。与其他市场的资源回收和利用相比，污水系统内的资源利用往往更可行、可及和广泛适用。
含碳物质：作为一个经典的例子，来自污泥发酵的VFAs已被证明非常善于促进经济高效的反硝化和生物除磷，因为它们具有高生物可降解性。由污泥发酵产生的VFAs由于浓度低和污染而不是市场产品。然而，当取代外部进口的有机碳(例如甲醇或醋酸酯)来支持N和/或P的去除时，它们的价值就会提高到市场上销售的VFA的价值，并具有节省运输和加药成本的额外好处。事实上，VFA生产已成为许多STPs的标准特征，其中包括侧流或主流污泥发酵单元。
含氮化学品：百万分之一的游离亚硝酸（FNA）对多种微生物具有杀灭作用，可导致细胞死亡和裂解。已经开发了几种利用FNA改善污水管理的技术。这些措施包括向下水道中添加FNA的剂量，以控制厌氧下水道生物膜，从而减轻下水道气味和腐蚀，如在全面应用中所示;以及在AD前使用FNA预处理二次污泥。在后一种情况下，实验室和中试规模的实验都表明，由于污泥的生物降解性得到改善，沼气产量和挥发性固体破坏增加了30-40%。由于污泥水解率大大提高和污泥粘度大大降低，沼气池的容量可以增加一倍。功能性微生物对FNA的杀灭作用的反应各不相同。具体来说，氨氧化细菌比亚硝酸盐氧化细菌更能抵抗FNA。这种固有的差异已被战略性地利用，以选择性地消除活性污泥中的亚硝酸盐氧化细菌，从而促进创新，节能的氮去除，如实验室规模79和中试规模研究所证明的。
铁盐：各种形式的铁化学品(例如FeCl2和FeCl3)已广泛用于污水管理。它们在污水系统的多个点上进行加药，包括下水道和厌氧污泥消化池，用于控制硫化氢，以及不同位置的STP，用于去除磷酸盐和改善污泥沉降性。最近的研究表明，向下水道注入铁盐，去除硫化物，可以在曝气池中再生，并“重复使用”磷酸盐沉淀和改善污泥的沉降性。同样的铁在厌氧污泥消化器中进一步重复使用，以去除硫化物并提高污泥的脱水能力。这些多次再生和再利用是由不同工艺单元中氧化还原条件的变化引起的，只要在污水系统(即下水道)的早期添加铁盐，就会自然发生。
其它新兴方向：
利用现有的和新兴的技术从污水中提取能量、营养物质和有价值的化学物质，目前的污水处理厂仍然排放大量的有机物作为残余固体，通常占进水中的25-35%。由于化学和微生物污染，这些部分很难生物降解或不可生物降解，因此通常被填埋或焚烧。回收这最后一部分有机物的一种潜在方法是通过气化将其转化为合成气，这对污染的影响要小得多，然后通过微生物气体发酵将气体成分(CO, CO2和H2)转化为有价值的产品。这条途径应该作为最后的手段，因为气化过程中有相当大的能量损失，而且C1化合物和H2化合物重组成复杂的化学物质并不节能。然而，合成气含有能量，将其转化为化学品比单独使用二氧化碳(例如在烟道气中)的能源效率高得多。微生物气体发酵因其较低的资本和操作成本而优于化学催化方法;因此，它更适合于小型气源，例如在STP产生的气源。在工业生物技术领域，大量纯或混合培养的研究已经证明了微生物将合成气转化为液体化学品和微生物蛋白作为动物饲料或饲料添加剂的可行性和实用性。
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