微生物电化学技术能否成为完美植入现有污水厂的资源回收新工艺？

为了提高污水厂水、能源和其他资源的回收率，我们需要重新评估目前的污水处理方法，并找到合适的技术以实现污水厂的可持续发展。从经济角度而言，推倒重建不是污水厂升级的首选，我们首先要考虑的应该是那些可以和谐融入现有污水厂的资源回收技术。很多学者认为将微生物学、电化学和化学工程学相结合的微生物电化学技术(METs)，有帮助现有污水厂完成升级改造的潜质。最近，西班牙赫罗纳大学的化学与环境工程实验室团队(LEQUIA)以当地一家污水厂为范本，给我们展示了新兴的MET技术如何和谐植入现有污水厂。

CO₂：问题还是机遇？

在污水处理厂里，二级生物处理是去除有机物的主要环节，也是碳排放的主要来源之一。另外， 污泥处理、厌氧呼吸和沼气燃烧也会产生CO₂。应用MET技术的目的就是善用CO₂，变废为宝。如果了解过MET工艺技术，对它的优点应该不会陌生，例如降低运行能耗、减少污泥产量以及对有机负荷和环境条件变化的灵活性。但较少为人所知的是，MET技术用到的生物催化剂底物可以直接从污水厂的厌氧消化器中现取现用。这样一来，顺着污水厂的工艺流程图，可将一些原本会排放CO₂的位置，改造成微生物电解池。研究团队将污水厂划分出三大潜在改造区域，包括活性污泥工艺区、厌氧消化区和污泥脱水区。

图1. MET技术和现有污水厂的潜在结合工艺流程图 

以二氧化碳为底物的微生物电解池( microbial electrolysis cell，简称MEC)可以生产各种不同的产物，例如乙酸和甲烷等，但它更多的是作为中间物，通过链延长反应合成其他羧酸盐、醇类和生物塑料这些市场价值更好的物质。研究团队认为二级处理和二沉池的出水都是理想的二氧化碳源，但要应用MEC工艺的话，要先去除这些水中的氧气。研究人员说可以考虑用生物电化学反应器产生的氢气，结合离子交换树脂将这些氧气转化为水。另一方面，虽然有不少研究探讨用MET工艺代替厌氧消化池，但由于厌氧消化是经过验证、有高度稳定和灵活性的工艺，因此可以预见在未来一段时间里它还将是污水厂的核心技术之一。因此研究团队认为MET在目前应该将自己定位为厌氧工艺的辅助工具，进一步提高厌氧技术的吸引力和稳定性。

氮的处理：脱氮还是回收？

氮是每个污水厂都要处理的污染物，它可以通过去除或者回收得以处理：对前者而言，目前最常规的处理方法是硝化/反硝化工艺；而后者则是以氨氮的形式回收，最终加工成肥料。MET技术能用于脱氮或回收。研究人员认为对于氨氮浓度低的污水，适合用MET技术脱氮，对于氨氮浓度高的情况，回收更有价值。

在脱氮方面，好氧硝化/生物阴极还原硝酸盐是其中一种途径。其本质是利用微生物燃料电池（MFCs）进行反应，这意味着该系统还可以产生能量，但数量也不多，而且设备要求跟现有的脱氮工艺接近，甚至还要对现有的活性污泥法进行替换，因此短期吸引力并不大。另一种脱氮方法是在生物阳极上氧化氨氮，但这种方法实质是个MEC反应器，意味着需要外加电源。这种方法可以选择性地将氨氮氧化成亚硝态氮，然后结合厌氧氨氧化工艺，或者氧化成硝态氮再在阴极将其还原。

回收的话，可以通过阴离子交换膜，将氨氮从阳极转移到高度碱化的阴极，然后通过吹脱将氨气提取出来。为了降低能耗，生物阳极会氧化有机物，产生的电子用来还原氧气，从而提升阴极的pH。有文献报道利用这种方法设计的MFC反应器可以回收尿液的氨，或者用MEC反应器从富含氨氮和有机物的合成溶液回收氨。对氨进行回收的好处是，除了单纯回收氨氮，还可以同时除磷，具体方式是鸟粪石沉淀。但它的问题是如何及时取出鸟粪石，因为鸟粪石沉淀过多会影响反应器运行表现。

案例分析

为了更好地评估上述方法，研究团队用西班牙的赫罗纳污水厂的模型来进行验证（图1）。以下是该污水厂的主要运行参数：

表1. 赫罗纳污水厂的参数概况

该污水厂二级处理的出水满足当地排放标准，但其氮浓度阻碍回用水计划的实施，因为西班牙规定用于含水层补给的回用水的总氮要小于10mg/L，目前赫罗纳污水厂的出水没能达到此标准。二级出水的COD小于42mg/L，COD/N =3.2，研究团队认为硝化/反硝化MET系统是合适的方案。理论计算显示，将TN降至4 mg/L的话，单位能耗约为0.13kWh/kgN-NH₄或者6.8kWh/kgN-NO₃。研究团队认为如果西班牙引进这些技术，可以大大缓解他们对淡水资源的依赖。

图2.Girona污水厂鸟瞰图 | 图源：Google Maps

此外，研究团队的计算还显示，在活性污泥工艺利用MET技术，该污水厂一天可以将原来白白排放的二氧化碳转化成2.1吨的高附加值含碳化合物。电产甲烷技术(EM)则可以提高厌氧消化的产出，新增的生物甲烷可以带来约每天15000欧元的创收。氯气是电产甲烷反应器阳极的副产物，这些氯气可以用作出水的消毒剂，以1.83欧/kg氯的价格计算，这也是一笔可观的收入。

最后，他们认为厌氧消化的沼渣也是个创收点，这些原本是污水厂负担的“废弃物”，因为氨氮浓度高达1000mg/L，每天因此能以铵的形式回收1.3吨的氮。2019年6月氨气的国际价格约200美元/吨，尿素为256美元/吨，鸟粪石为354美元/吨。他们如果这些原材料的价格继续看涨，污水厂的氮回收是有利可图的。

表2. 现有污水厂可应用的微生物电化学工艺的场景、影响和技术难点

总结和展望

西班牙团队的这篇综述展示了微生物电化学技术和污水处理厂的可行性（表2）。在他们看来，雨果那句“如果你不能打败他们，就加入他们”的名言对MET技术同样适用——与其等待新建项目，不如在现有污水厂里寻找空间，这样更有利于MET技术的发展。研究团队建议政府方面的决策者应该认真考虑在污水处理厂实施MET的可能性，因为这是进一步降低污水处理成本，推动循环经济发展的机会。

参考资料

1.https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0961953419303290

2.https://www.google.nl/maps/dir/Celr%C3%A0,+Spain/EDAR+Riudellots,+17457+Riudellots+de+la+Selva,+Girona,+Spain/@42.0256981,2.8309619,547m/data=!3m1!1e3!4m13!4m12!1m5!1m1!1s0x12bae5939ef92a9d:0x953ccabfb5d6ba90!2m2!1d2.8790408!2d42.025748!1m5!1m1!1s0x12bae1cdd1dad389:0xb7d95bb0750f7f95!2m2!1d2.8114697!2d41.9082173

3.https://www.elagoradiario.com/agua/impulso-europeo-a-la-innovacion-del-tratamiento-de-aguas/

4.https://uwwtd.eu/Spain/treatment-plant/es9170790005010e/2012