本文根据中国科学技术大学化学与材料科学学院环境工程教授俞汉青在2014（第二届）中国环保技术与产业发展推进会——“概念厂·水未来”分论坛发言整理。

大家好！

非常高兴有这样的机会，就基于能源与资源，展望污水处理工艺发展的新趋势这一选题，跟各位嘉宾共享这方面的进展。

城市污水中的能源与资源

现有的污水处理工艺，都会消耗大量的外部能源和资源。与此同时，由于低碳经济、全球变暖等因素，促使我们一方面要考虑减少能耗物耗，一方面又希望减少可能的新的污染物。然而，实际上不管用哪种处理方法，污水处理二氧化碳的排放量基本是不变的，也就是说，并不是如原来许多人希望的那样，新的污水处理技术可以直接减少碳排放。但是，近年来大家都形成了一个共识，包括新概念水厂，大家都认为污水是一个重要的可再生资源，应该把它耗能耗物这一基本属性，转变成从污水中可以回收点什么。其实，最主要还是回收水，通过处理得以回收清洁水，另一方面我们也希望回收资源和能源。在现有的城市污水处理中，我们抱着完全矿化的态度，要把磷变成磷酸盐等，要把这种被动的污染物处理转变成新的工艺、技术、方法和设备，这是从理念转化的角度来讲。

具体到我们现在所了解的，从城市污水要进行资源化或者能源化处理，一个是把中间的碳源以各种形式回收，最现实的做法是把碳源回收成可利用的甲烷，也可以做一些其他方面的尝试，比如通过藻类产油，另外把污水中的氮磷通过矿物质加以回收。

国内外城市污水处理厂的能源与资源回收状况

针对城市污水的能源和资源回收，国内外城市污水处理厂的能源与资源回收状况如下：

污水中资源化的技术途径

污水回用

首先是水的回收，处理过的生活污水放在蓄水塘，经过土壤入渗补助地下含水层，然后地下水再用水井抽出来作所谓的间接饮用，这种方法已有五十年以上的历史，在美国已经做得很成功，而在中国是慎用的。如美国加州的Orange County污水厂将处理好的水放在蓄水塘之后引入地下，由此诞生了“深度处理--微滤+反渗透+UV+双氧水”的污水处理。

新加坡NEWater在海水淡化和再生水方面积累了丰富的经验。此外，还有一些规模较小的新理念和新技术，如纽约的绿色屋顶，可以浇灌植物，荷兰也有相似的技术。

氮、磷、硫回用

有些国家还尝试过把污泥中的氮通过一系列方法加工成肥料进行回收，但这种方法目前成本偏高。因为现有的氮肥生产成本远低于回收氮的成本，所以回收污泥中氮作为肥料的做法目前尚不实用。

有机物回收

关于有机物的回收，若干年前就有很多人做过，尤其是清华大学的陈国强教授、江南大学的陈坚教授等，做了很多工作。我们也曾尝试把污水中的有机碳变成塑料，加工成调羹送给朋友，说是污水做的，结果无人用它。这些技术的价格太昂贵，在生产过程中要消耗非常多的能量，尤其要添加一些氯仿这类不环保的溶剂。因此，开始的生物加工出发点是好的，但接下来的过程对环境并不友好，而且成本高昂。

海藻素提取

我们也曾从污水中提取出海藻素，现在有很多人也在做。但我个人认为其实际应用并不现实。我们经常强调海藻素的市场成本，但从污泥中提炼出来的成本，跟我们卖的标准品价格根本是不能比的。

能源回收技术

此前，陈珺（江苏宜兴环保产业研究院总工程师——编者注）曾提到过协同厌氧，“协同”现在这个词用得很多，就是因为城市污水处理厂由于自身含有的有机碳不足，要想达到一定目标必须要协同起来做事情。比如热电联产，现在西方也非常流行，包括陈珺提到的奥地利和德国的一些污水处理厂。污泥的厌氧消化，现在国际上很多环保公司都在花比较大的力气去做。它有若干优点，包括提高厌氧消化的产气率，提高污泥无害化的程度，提高污泥的脱水效果等。

另外就是光能的利用，下列图片是德国的曼海姆污水处理厂光能回收技术图。现在国内也有若干个污水处理厂正在跟一些生产光能的公司商谈。

鸟粪石法回收磷的工艺已经成熟。总体来说，利用磷石的方法回收磷大家已达成共识，但是近几年有专家的研究表明，从污水中回收的未必一定是鸟粪石，因为我们收回来的这些含磷混合物可作为磷矿物资源使用。

城市污水能源与资源回收的几项关键技术研究进展

污水处理厂污染物的物质流及能耗

我们要谈一下处理厂回收的能源和资源，首先要搞清楚污水处理厂现在有哪些物质，物质的流又是什么的。污水中的COD、氮、磷等要素，经现有的工艺进行处理，可以计算得出，进入污泥的有机碳目前大概是30%，磷有90%，其他有各种各样的归宿，这是从物质流的角度来看的。而从能量的角度来看，不同的污水处理厂、不同的工艺有很大的差异，只有对污水处理厂的物质流和能量流有了认识和了解，收集到物质和能量基本的分布或量化信息之后，就会明白现有的城市污水处理厂要真正进行资源化处理，应该解决哪些技术上的难题。

城市污水资源化处理的技术难题

第一是充氧效率的提高；第二是能源回收，这主要面临着几方面的问题，一个是污水有机碳的富集，二是如何把收集好的有机碳提高厌氧转化；第三是矿物的回收，包括磷的有效回收；第四是污水处理厂要有很好的方法保证它能够运行，在中国这个问题尤其严重。

充氧效率的提高

概括来说，充氧效率的提高，对于处理工艺而言，一个是精确曝气，一个是精准曝气，也就是针对污水处理过程中，某一个阶段或者某一个要去除的物质更好地控制曝气量，降低能耗。但实际上除此之外，还有一些方法，比如纳米气泡曝气，日本在这方面做了很多方面的研究，气泡在水中存在的时间长，传质效率高，比表面积巨大，还可以降低曝气的能耗，而潜在问题是曝气系统的堵塞，需要更多的研究才能实用化。

污水有机碳的富集

污水中有机碳的富集有两种方式：一种是物理化学的方式，一种是生物法。物理化学的方式就是萃取、吸附，最现实的是生物膜技术，能够有效地把城市污水中的有机碳较好地富集起来。陈珺多次提到AB法，实际上是有效地把废水中的有机碳在短时间内高效地加以富集。此外，还可以把污泥适当活化以后再吸附，但是这样的效果有限，对溶解性效率比较差，还存在COD吸脱附的问题。

污泥厌氧消化效率的提高

我国污水厂污泥的厌氧消化存在有机物含量低、无机沙粒含量高、污泥能量密度高、甲烷回收率低等问题，但这些问题并不是没有解决方案。如果是合流制，污水中含沙量比较高，为提高污泥有机质含量，可以在进水口对泥沙颗粒进行分离，实现管网的雨污分离。污泥厌氧消化的改进技术，从近年来的研究和实践来看，纳米零价铁可以应用在厌氧消化过程中。纳米零价铁粒径小、体表面积大、活性高，本身及其产物对环境无害，且价廉易得。另外一个问题是污泥的强化脱水，现在一个重要的研究方向就是要把微生物表面的胞外多聚物EPS降解，释放结合水，这另一方面也有利于降低细胞的稳定性，释放内部结合水，还可以降低表面张力，这方面最近也引起了人们的兴趣。从废水富集到有机碳，再进行污泥的厌氧消化回收能源，我们很有希望看到显著的改进效果。

低浓度磷的有效回收

再谈磷的问题，低浓度磷的有效回收。下图这张图讲的是全球对磷的需求，对这个问题可以清晰的阐述：工业采矿富集到2025年将达到高峰期，之后全世界的磷矿将被耗尽。这个图很清晰地地解释了从污水中回收磷的做法将是挽救全球粮食生产的唯一途径。所以，一位专家曾讲过，用原子能、核能能够代替煤的发电，但是现在却找不到可以能够代替磷的物质。因此，从这个角度来讲，城市污水中磷的回收是人心所向、大势所趋。但对这件事我个人有点怀疑，从1吨水中回收3克磷是否值得？如何提高磷的回收效率？目前关于磷的回收技术，基本上都是围绕加钙、加镁来做的。

污水生物脱氮

污水脱氮是近40年来环境工程界最活跃的研究领域，如果对这个关键词进行检索的话，跟氮有关的方面研究工作非常多，也不断取得进展，如：反硝化脱氮、硝化、亚硝化、甲醇反硝化、短程反硝化等等，这让我们看到了希望。然而，目前污水处理面临非常大的技术瓶颈就是氮的脱除和回收。

关于厌氧氨氧化的发现有个故事。20世纪80年代末到90年代初，荷兰代尔夫特理工大学Kuenen教授指导的学生Mulder，在运行一个三级反应器系统时，观察到第二级硫化床反应器中的氮“不知去向地”出现大流失了。他们结合1977年奥地利理论学家Broda的化学热力学预测，在国际上首次发现了Anammox（厌氧氨氧化菌）。现在应该说欧洲人走在了Anammox方面研究和应用的前列，而且他们正在做各种各样的有趣的尝试，让我们看到在主流工艺上应用Anammox的可能性。与此同时，美国也在做这方面的尝试，也试图在主流工艺上使用Anammox。但是，Anammox要真的在主流工艺上进行应用，还要解决一系列富有挑战性的问题。第一个是低温条件下的高效稳定运行；第二个是如何在高碳氮比不太协调的情况下，或者低氮浓度以及低温环境下淘汰或者移植异常反硝化菌和NOB；还有如何保证Anammox菌在反应器内有足够的生物停留时间，从而抵消其低生长速率的影响。针对这些问题，国际上也做过一些相应的尝试，最近发现温度低没有太大的关系，如果控制好的话Anammox还可以运行，但是Anammox的效率会有所下降。我们可以借助厌氧和厌氧氨氧化污泥颗粒化技术的进步，实现主流工艺的厌氧氨氧化。

关于污水中氮的去除我有些思考：是否应该污水脱氮？至少是不是在所有地方都应该对氮有很严格的要求？如果使用在农田或园林灌溉中，氮的存在是有意义的。另外一个原因就是成本太高，包括现在的投加碳源技术。还有水体的生物固氮，藻类细菌每天输入水体中的氮可能超过我们污水处理厂脱除的氮。再者，现在我国的大气氮沉降也很严重，其导致水体中氮含量的增加也不容小视。如果说一定要污水脱氮，现有的方法是生物脱氮，但现在看来生物脱氮较难，是不是可以用其他化学的方法脱氮？如使用新的氮吸附剂？

关于好氧颗粒污泥，1991年日本和韩国分别有文章发表最早提出好氧颗粒污泥的概念，当时反应器用的是纯氧曝气。90年代末期，有几个小组做得比较好，后来把好氧工作做得最有影响力、真正让好氧颗粒污泥被更多人喜欢乃至接受的，应该是Mark van Loosdrecht教授。新加坡的郑俊华和刘雨小组、中国科学技术大学环境工程实验室也开展了多年的好氧颗粒污泥研究。van Loosdrecht提出好氧颗粒污泥的判别标准为：污泥平均颗粒大于0.2毫米即为好氧颗粒污泥。实际上这个说法值得商榷。颗粒和絮体相比，从比重、大小、沉降速度和生物活性来看，颗粒有很多优势，颗粒可以提高固液分离效率，出水水质好，节约占地和投资，这是好氧颗粒带来的好处。现在从工程应用角度来说，荷兰做得比较成功的污水厂，是EPE污水厂，这个厂跟荷兰其他的污水处理厂从能耗上相比，展现了不少优点。但是好氧颗粒在中国用起来还是比较困难的。这个页面是江南大学王硕博士提供的，从这上面可以看出好氧颗粒在各个阶段的应用条件。欧洲人已经利用COD浓度为500毫克/升的污水培养出好氧颗粒，而我们在合肥利用COD浓度为180毫克/升的污水培养颗粒就非常艰难。现在，在中国城市污水处理应用好氧颗粒技术存在一系列的问题，如进水水量不稳定、进水水质不稳定等。因此，真的要在中国用好氧颗粒处理城市污水，还有许多工作要去做。

城市污水能源与资源回收技术和可能的工艺展望

最后做一点展望，这个页面是王凯军老师提供的。其中有UP concentration，一些技术的开发应用还在实验室阶段。

那为什么要有其他的回收方式？我们可以直接把污水作为能源用来产电的话，效率可以提高。有机废水或者城市污水有没有可能用来直接产电？这个图中的微生物燃料电池的基本原理跟化学燃料电池是一样的，最大的差别就是它的阳级催化剂，且是由污水作为原料。目前来说，微生物燃料电池真正用污水处理还有很长的路要走，还有很多困难要克服。

另外是基于Anammox的工艺路线，基本上无论是Anammox跟AB法的合用也好或是其他方式，上下两个图可以把基本思路概括出来。Anammox用在城市污水处理，还有很多问题要解决，不是在实验室尝试就能真正做起来。

MCCarty教授今年夏天来到中国时，曾在哈尔滨、北京做过报告。他2011年在ES&T上发表过一篇对城市污水影响很大的文章，讲能不能利用用厌氧技术直接对城市污水进行处理。他跟韩国的小组、新加坡南洋理工大学合作，做了一些污水处理能源的核算，希望把城市污水直接用厌氧就似乎进行处理。按照他的说法，应该是COD到一定的浓度，在一定的气候条件下，这可能是最好的选择。但几十万吨污水的加热是一个大问题，且30%以上的甲烷会随着出水流出去，不能回收。再有中国的城市污水处理厂在运行管理上比西方更加困难。

谢谢各位，我今天的发言就到这里。这个报告高嵩院长及其团队有很大的贡献，也谢谢他们。