18项面向未来污水处理节能技术的评估报告（3）：兼顾能源回收的高效污水处理技术

2015年，美国水环境研究基金会WERF、国际水协会IWA以及纽约州能源研究与发展局NYSERDA联合发布了一份名为Assessment of Technology Advancement for Future Energy Reduction的报告。这份报告对18个专项技术领域进行了评估，评估内容包括其技术成熟度、对行业产生的影响以及推广应用潜力等方面。这份报告将18个专项技术领域划分为了三大主题进行评估分析， IWA微信公众号将向读者分四期分别进行介绍。第三期的主题是兼顾能源回收的高效污水处理技术。

1主流厌氧技术

其实已经有不少工艺将厌氧技术应用到主流处理，例如厌氧膜生物反应器(AnMBRs)、厌氧流化床膜生物反应器(anaerobic fluidized bed membranebioreactors - AFMBRs)和 UASBs。由于厌氧处理的内在特性，它需要配套相应的后续处理工艺使出水达到排放标准。

厌氧处理系统已经成功应用到高浓度的工业污水好多年了，但现在研究者开始把目光投向了浓度和温度都相对较低的市政污水领域，他们细分的研究领域主要包括：

• 如何回收溶解态的甲烷

• 如何处理氨氮和硫化氢

• 如何跟其他主流脱氮技术结合

• 如何与微生物电解电池技术相结合

• 生成其他替代产品，例如甲醇和VFAs

• 对颗粒固体经济实用的预处理以提高转化率

• 对进水流量的变化的有效管理

超过半数的专家认为还需得再用上3-5年才能看到真正的主流厌氧工程应用案例，而最有效的方式还是跟相关水务局合作，通过工程应用示范项目来验证其可行性，这样才能真正推动其日后的发展，并最终实现商业化。

2微生物燃料电池

生物电化学系统是利用吸附在任一或者两个电极上的微生物催化氧化反应（生物阳极）或（和）还原反应（生物阴极）的生物电化学反应器，理论上是一种能够实现从污水中回收能量的技术。

当微生物将底物氧化，还原阳极，产电，这样装置就成为了微生物燃料电池(Microbial fuel cells– MFCs)；反过来，如果对系统施加低压产生还原产物，这种装置就成为了微生物电解池(MECs-Microbialelectrolysis Cells)。这节先介绍MFCs。

微生物燃料电池（MFCs）是通过微生物的新陈代谢作用产电。在新陈代谢的最后阶段，电子会沿着细胞膜传送到最终的电子受体，一般为在氧化情况下的氧气。而在微生物燃料电池里，细菌将它们的电子传到胞外的一个阳极上，然后电子通过外电路从阳极流向阴极，从而形成电流。

过去微生物燃料电池很难处理低浓度污水，但专家们说他们已经发现了能够处理COD在150-200mg/L的案例。在高浓度的情况下(3,000 mg/L)，反应器会变成厌氧状态。因此，从COD的范围来说它已经适用于典型的市政污水。

专家们认为MFCs最有可能的应用是在进入二级处理前的COD去除工艺，优点是减少曝气量，或者作为厌氧反应器的预处理。另外它也可以作为厌氧消化的替代工艺，这样就不用担心甲烷排放造成的风险。

但是，专家认为这项技术依然处理应用研究的阶段，目前存在的技术问题包括电极的效率和生产设计、使用真实污水的应用、规模升级、改进长期运行的表现和寻找低压应用等。商业方面的挑战包括电极等设备成本、缺乏中试规模的示范项目、后续营养物的去除等。要使MFCs变得更加有竞争力，单位面积的电流需要达到25A/㎡，电极要变得更加易于生产，成本需要小于100-150美金/㎡，而总资本支出要低于500美金/㎡。

3微生物电解电池

微生物可用于催化阴极反应（生物阴极），例如将氧气还原为水，质子还原为氢气，硝酸盐还原为氮气，和将碳酸氢盐还原成甲烷。其它应用包括产过氧化氢，海水淡化和去除氨氮。许多新应用都需要额外的能耗，这是由整个反应的热力学决定的。

4超（亚）临界水氧化法在污泥处理中的应用

随着温度和压力的升高，水分子会到达一个所谓的临界点，此时水的临界温度为374℃、临界压力为22.1MPa。在这个温度和压力以上的水就成为“超临界水”。超临界水可以作为溶剂，在不需要对污泥进行预浓缩和脱水的情况下，在短时间对污泥进行快速气化或分解。在一分钟时间里，对反应器注入氧气，COD就能转化为二氧化碳，出水是浆状的无机灰分。产生的热能可以通过热交换器得以回收利用。

图源：http://www.intechopen.com/books/gasification-for-practical-applications/supercritical-water-gasification-of-municipal-sludge-a-novel-approach-to-waste-treatment-and-energy-

对于这项技术，有专家给出这样的评价：“如果它获得成功，可能会是污泥处理最具革命性的技术。” 但是专家们也普遍认为水行业“害怕改变”的特性使污水厂管理层或者水务部门不太愿意接纳对这个尚未熟悉的技术，而且初始造价也是个需要考虑的问题。它目前的市场还是很小众，但有得到行业普遍接受的潜力。

5整合藻类生物质能的脱氮技术

用污水种植藻类（algae）、微藻（microalgae）和浮萍（duckweed）可能是取代现有脱氮除磷的替代方法。因为有许多种藻类可以从低浓度的水体中吸收营养物，甚至有潜力应用到深度处理中使营养物浓度降到非常低的水平。

有专家认为藻类养殖是非常有潜力实现能量盈余的回收营养物的方法，同时它比现有的强化生物除磷和硝化/反硝化方工艺更有潜力满足日后更严格的出水标准。而这个技术能否能够得到推广的关键因素在于能否能从中生产出有价值的物质，专家们列出了一下可能性：

• 高附加值的产物，例如鱼类饲料或者食品增补剂

• 增加用于产能的碳源。跟传统的曝气工艺不同，藻类工艺不会把污水中的碳流失掉变成二氧化碳；相反，它通过光合作用可以生成更多的生物质，最终为下游的产能发电工艺提供更多的有机质（例如厌氧消化或者制造生物燃料）

• 碳信用（Carbon credits）。因为藻类处理技术有潜力使曝气能耗大大降低，同时增加更多的生物质供发电所用，它能作为碳信用在碳交易市场创造更多价值

6热回收氨电池

低温余热是许多产电方法的产物，包括热电联产回收的余热，有时已经能够满足污水厂和厌氧消化系统的能耗要求。热回收氨电池（Thermally regenerated ammonia-based batteries, TRABs）是其中一种从余热中回收能量的技术。热回收氨电池由铜电极所组成，而且仅在阳极电解液中添加氨。这种电池可以持续运行，直到在阳极附近电解液耗尽，合成复合物所需的氨就停止化学反应。

热回收氨电池面临的问题是，如果这些化学反应无法再生以持续供给电能，那这种电池就是没有价值了。而现在利用外源低温余热，研究人员们从电池阳极电解液的残留出水里蒸馏出氨，然后再重新充电至该电池的原有阴极室，让系统得以持续运行。添加氨的腔室成为了阳极室，而铜离子则被重新沉积在其他腔室中的电极上——新的阴极，即原来的阳极。这样在阳极室与阴极室之间反覆切换氨，从而保持了电极上的铜离子量。

美国的研究团队2014年发表的数据称，目前已能产生每平方米约60W的功率密度，这比其他以液体为主的热-电能量转换系统所产生的功率密度更高6至10倍。

据称研究人员已通过增加电池的数量来尝试提高功率密度池数量。而专家们认为仍需优化这种电池的化学作用，并加深其反应机理的理解。要克服现有的技术上的挑战，可能需要5-10年的时间，而实现商业应用则可能再花上5-10年。