污水處理中污染物的回收利用

 

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。

 

**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**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。**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**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。