可持续发展-城市水循环创新技术：经过十年磨砺的SANI杀泥工艺
SANI 杀泥工艺介绍（视频） © 香港科技大学 HKUST
水乃万物之源。诚然地球的绝大部分是水，但是其中97%是含盐的海水,另外3%的淡水中大部分又是以固态形式存在于冰川之中。所以可想而知，可以供给人类使用的淡水资源是少之又少！而这珍贵的淡水资源又因为其分布不均以及逐渐遭受污染，直接影响着社会的可持续发展乃至人类的健康。据报道，全球约15亿人口面临淡水不足问题，其中3亿人口处于完全缺水状态。预计到2025年，全世界将有30亿人口缺水。我国人均淡水占有量为2240立方米，仅为世界人均水平的1/4，属中度缺水国家。由于水资源受到过度开发、污染且利用率很低等问题，水资源的匮乏已呈现出制约城市经济和社会的可持续发展的态势。如何节约淡水资源、开发“替代性”水资源、净化污染水质已不仅仅是热门的科技问题，更是刻不容缓社会问题。
作为一个严重缺乏淡水资源的海岸城市，香港自上世纪五十年代起，一方面建立长距离供水管道输入东江源水，另一方面开始采用海水冲厕。根据香港水务署2014年的报告显示，香港海水冲厕系统（图1）现时覆盖全港720万人口中的八成，平均每天为香港提供760000立方米的海水作冲厕使用节省22%的淡水资源。香港50年的经验证明海水冲厕基本不造成任何个人和公共卫生不便，采用大管径的水泥防腐管为主干道与小管径的PVC管建筑物管道组成的海水供给管网腐鉵问题可以有效解决。与大量水资源节省的成本（海水冲厕能耗不超过海水淡化能耗的五十分之一）相比，控制少部分加压管道硫化物产生及污水厂设备防腐处理所需要的成本就变得很有限。在此基础上发展的香港国际机场淡水海水中水“三水供水系统”（图1）节省水资源率达52%，被《自然》杂志（337卷781页）评价为目前最为有效的可持续水资源系统之一。
图1：创新城市水循环系统：“三水”供水系统与SANI工艺联用概念图 © 香港科技大学 HKUST
由于海水冲厕技术在香港的大规模应用，产生含一定量硫酸盐的高盐城市污水，使得其有机物（COD）与硫酸盐（SO42-)的比例为1.3- 2.4 (g COD/g SO42---S)，提供了通过硫酸盐还原过程实现快速厌氧去除有机物的可能性。通过受到此一启发后的文献调查和不断的思索，加上2002年荷兰代尔夫特理工大学Make van Loosdrecht教授来访香港科技大学时的鼓励，香港科技大学陈光浩教授于与2004年首先提出了基于异养硫酸盐还原(Sulfate reduction)、自养反硝化(Autotrophic denitrification)、硝化反应(Nitrification)一体化(Integrated)原创型高盐城市污水处理的新工艺,简称SANI工艺®™， 并于2004年获得了香港研究资助局（HKRGC）研究项目的资助。SANI工艺将硫酸盐还原为基础的高效厌氧（水温20度时水力停留时间可降至4小时以内）引入城市污水处理，同时利用所产大量溶解性硫化物（大量硫酸盐还原自动提高反应器pH至碱性水平使得所产硫化氢几乎完全溶解于水）作为取代有机物的电子供体体实现后续自养反硝化（有机物非依赖性除氮过程）。SANI工艺是第一次在城市生物污水处理中将厌氧除碳反应和自养反硝化有机地连接起来。由于这两个反应过程本身产泥很少，加上产泥又少的硝化反应，理论上实现污泥源头显著减量（因此SANI工艺的中文名也称之为杀泥工艺®™）。为验证这些工艺特性，陈光浩研究团队2003年开始小试，2010年完成中试，2015年完成第一个日处理1000吨的示范工程，现正进行SANI工艺优化设计后的1000吨示范工程，参与港科大SANI工艺、法国威立雅MBBR工艺和荷兰NEREDA工艺的同规模实际使用评估工程。在接下来的5-10年内，实现在国内外沿海，岛屿和内陆不同地区一定规模应用的目标。
如图2所示，与基于碳氮循环的活性污泥法工艺相比，SANI工艺巧妙地利用了含盐污水中的硫作为电子载体（供受兼用），在碳氮循环中引入了硫循环。它通过生物厌氧硫酸盐还原过程将污水中的有机污染物氧化并产生碱度，使得大量（90%）的电子通过异化代谢途径流向溶解性硫化物（HS-，S2-等）留在水中。
图2. 传统生物脱氮工艺和SANI工艺的概念比较 © 香港科技大学 HKUST
由于仅有少量（10%）的电子流向同化代谢，污泥产率就被大大地的降低。与此同时，载有大量电子的硫化物并未完成使命，如就此排放,就又回到了COD的形式，等于未处理。因此必须让它们进入缺氧反应器为自养反硝化提供电子源，将硝化过程产生的硝酸盐氮转变成氮气，从而实现生物脱氮，并将其自身氧化回硫酸盐。由于大量的电子流向生物脱氮加上高效自养反硝化和低产N2O温室气体等特性，消除了现有以异养反硝化为手段的生物脱氮瓶颈，也对提高低碳氮比污水中的生物脱氮提供了方策。通过硫循环，SANI工艺不仅降低了COD去除过程中的耗，并通过硫酸盐还原（厌氧），自养反硝化和硝化（自养）三种均非常低污泥产率的生物化学反应，实现了剩余污泥源头减量的最大化。基于化学反应计量方程的推算，SANI工艺整体污泥产率理论值可以低至0.04 （gVSS/gCOD去除），为现行活性污泥工艺的十分之一。
SANI工艺发展过程
陈光浩团队在完成一系列前期探索工作后，在2004年至2008年期间，对SANI工艺进行了连续运行500多天处理人工模拟高盐生活污水实验室小试，验证这套创新工艺的可行性。结果十分理想，COD和TN平均去除率分别达到95%和74%，无须排泥（图3）。
图3.SANI工艺小试实验 © 香港科技大学 HKUST
随后在2008-2010年间，该团队又设计、安装和调试了水量每天10吨的SANI工艺中试示范系统（图4），进行了连续稳定处理香港东涌泵站实际含盐污水225天。中试结果不仅保证了较好的COD、TN去除率，同时也得出污泥产率仅为0.64 kg TSS/day，实现了污泥减量90%。以中式试验结果估算，与传统活性污泥法工艺-污泥消化处理处置系统相比，SANI工艺可以节省能耗35%，减少温室气体排放36% 。
图4.SANI工艺中试示范 © 香港科技大学 HKUST
2013-2015年在沙田污水厂展开的大型示范试验，每天平均处理一千吨实际污水，示范结果显示系统COD和总氮去除率可高达80%，生物处理过程中污泥减量达70%左右。高效混凝沉淀技术处理生物处理单元出水的示范显示，污水中75%的总磷可以被去除，同时其用地与传统沉淀池用地相比减少70%。
图5.SANI工艺大试示范 © 香港科技大学 HKUST
SANI工艺适用性
SANI工艺的发明源于海水冲厕在香港的大规模应用，利用海水中的硫酸盐作为电子载体，实现碳、氮污染物的低能耗去除,并大大减少污泥产量。虽然海水冲厕技术尚未在国内外大规模应用，通过简便的工程手段向沿海地区现有污水厂引入少量海水，就可改造成SANI工艺。除海水外，硫酸盐还可以从其它廉价来源中获得，如酸性矿山废水，纸浆废水，烟气脱硫废液，高盐地下水等。透过上述特殊含硫废水与生活污水的一体化处理，我们便可以把此项以硫为电子载体的污水处理新技术，推广到无论是沿海城市还是内陆地区。当然在这些应用过程中，我们必须仔细控制硫酸盐的投加量，避免过高的硫酸盐会对受纳的地表水体及地下水造成不良影响(不包括海洋的直接排放)。一般而言，我们只要保持出水硫酸盐的浓度低于饮用水标准，即250mg SO42-)/L就可以。这对利用SANI工艺处理我国大部分生活污水是可行的。随着SANI硫高效截流回用新技术的不断提升，SANI工艺在内陆地区的广泛应用将变得十分可行。
海水冲厕与SANI工艺在我国的应用前景
海水冲厕与SANI工艺在中国有着巨大的发展空间。中国有16个水资源紧张的沿海城市 （图6）。这16座沿海城市总人口达9200万人。如将来引入海水冲厕（可节约20%-30%的淡水）并采用SANI工艺处理高盐城市污水的话，污泥减量所带来的社会效益十分巨大。以每人每年产生4.6公斤干污泥估算（人均产泥数据引自发表于国际期刊《Water Research》（第78卷60页）介绍中国污泥处理处置与管理现状的文章），每年共产约40万吨的干污泥。若SANI工艺应用于这些城市的话，可以大幅度的降低这些污泥的处理过程，同时也每年可以节约6 GWh的能耗和19万吨的二氧化碳排放。
图6. 国内16座淡水资源紧张的沿海城市 © 香港科技大学 HKUST
本文作者为香港科技大学SANI工艺科研团队。
来源：国际水协会（IWA）官网 www.iwa-network.org
