高品質沸石濾料生產廠家污水資源化的幾個方向詳解：磷回收、污水熱源泵、再生水

　　高品質沸石濾料生產廠家污水資源化的幾個方向詳解：磷回收、污水熱源泵、再生水

　　高品質沸石濾料廠家污水資源化的幾個方向詳解：磷回收、污水熱源泵、再生水。

　　一、 污水資源化的重要性

　　2017年聯合國水務發展報告以《污水：未開發的資源》為題，論證了污水資源化的需求。報告中指出，人類產生的污水有80%未被得到有效處理，而污水應該是一種資源而不是負擔，污水資源化是需要被抓住的機會。同時在我國，淡水資源極為短缺，污水的再生利用是解決問題的重要手段。

　　二、 污水資源化的內容

　　污水資源化的內容主要有兩個部分：

　　首先是污水的循環利用。水資源是污水中最為重要的資源，尤其是在我國淡水資源短缺的情況下，對污水進行深度處理使水質達標再利用是我國實現可持續發展的關鍵。

　　其次是污水中的物質和能量回收利用。污水中能夠回收的物質包括有機物質、無機營養鹽、其他物質(如重金屬)等。

　　其中價值最高的是污水中有機物質的回收。王老師認為，污水中有機物質應遵循如圖2的轉化途徑，污水中的有機物最終轉化成類腐殖質由于肥田。王老師指出，現在我國農田正面臨產量降低的問題，其主要原因就是過度種植導致土壤中的腐殖質大量消耗，而對秸稈等農副產品的處理導致有機物返回農田的途徑被阻斷使得腐殖質得不到補充。因此回收污水中的有機質，最后將其轉化為類腐殖質進入農田是其價值最高的利用途徑。

　　圖2 污水中的有機物轉化途徑

　　對于無機營養鹽(氮磷)，王老師認為相較于氮，磷具有更高的回收價值。原因在于氮具有完整的生物地球化學循環途徑和循環通量，污水中的氮元素回收意義不大;而磷元素主要存在于液體和固體中，在自然界中的循環途徑不完全、循環通量小。同時，王老師指出，污水中磷元素含量大，日本調查研究顯示污水中流失的磷元素可占日本進口磷元素的20%~30%。磷元素的利用可以與有機物的回收相結合，隨污泥進入農田中。

　　圖3 自然界中的氮循環

　　圖4 自然界中的磷循環

　　對于其余物質，王老師認為，以目前的技術水平和需求來看，并無太大的價值和意義。

　　污水中的能量回收利用主要有兩個途徑，其中目前廣泛使用的途徑是污泥厭氧硝化產氣發電發熱，實現有機物中的化學能以電能和熱能方式回收。另一途徑是利用不同季節污水和環境溫度的溫差，在冬天，污水的溫度比環境溫度高約10攝氏度左右，而在夏天，污水的溫度比環境溫度低約10攝氏度左右，籍此實現以污水為水源熱泵的水源。

　　水源熱泵：水源熱泵機組工作原理就是在夏季將建筑物中的熱量轉移到水源中;在冬季，則從相對恒定溫度的水源中提取能量，利用熱泵原理通過空氣或水作為載冷劑提升溫度后送到建筑物中。通常水源熱泵消耗1kW的能量，用戶可以得到4kW以上的熱量或者冷量。水源熱泵克服了空氣源熱泵冬季室外換熱器結霜的不足，而且運行可靠性和制熱效率又高，近年來國內應用廣泛。

　　圖5 水源熱泵冬季工作示意圖

　　1、磷回收

　　磷，是組成生物的重要組成元素，是植物生長的重要營養素，是引起水體富營養化的“元兇”之一。

　　No.1 磷礦儲量：“危機” or not ?

　　磷是農業肥料中的重要元素，其主要來源是磷礦石。如圖，根據美國地質調查局統計，截止2019年，全球磷礦石探明儲量約為690億噸，2019年磷礦開采量約為2400萬噸，按照這個趨勢，已探明的磷礦石儲量大概能夠滿足300年的使用量。

　　圖1 世界磷礦開采量和儲量(單位：千噸)| 美國地質調查局

　　關于人類是否馬上面臨磷危機，學界存在兩種不同的觀點。例如IFDC(International Fertilizer Development Center，國際肥料發展中心)的地質學家Van Kauwenbergh[1]認為，全球磷礦儲量利用壽命大于300年，資源利用壽命大于1400年，并且隨著新礦床的發現，世界不會立即面臨磷危機;而我國知名學者郝曉地教授[2]在他的著作《磷危機概觀與磷回收技術》中指出，地球上經濟可開采的無雜質磷礦僅夠人類使用不足50年，磷危機迫在眉睫。

　　但是一個基本事實是，磷礦是一種不可再生資源。與另一種重要的營養素氮相比，磷在自然界中的循環極為“單調”：由于磷的易流失性，陸地上很大一部分磷都會由徑流進入湖泊和海洋;在海洋中，磷元素隨著生物遺體和糞便沉淀進入海洋沉積物中。不像氮元素一樣，磷元素很難揮發成氣體，就無法進入隨大氣循環和遷移。因此除了鳥捕撈海魚，然后通過鳥糞的形式將磷元素帶到陸地上之外，磷元素幾乎沒有其他大量從海洋轉移到陸地的途徑。對于海底的磷，只有發生滄海桑田的變化才能讓這部分磷“重見天日”。

　　圖2 自然界中的磷循環| 人與生態網

　　因為磷的特殊性，陸地上的磷礦只會越用越少。筆者認為，即使現在磷礦資源尚充足，如果不能找到有效的替代方案，人類終將面對“磷危機”。目前來看，從污水中回收磷元素是一個很好的選擇。

　　No.2 污水中磷回收的技術和運用

　　筆者將在本文中介紹自己感興趣的三種技術，分別是鳥糞石沉淀技術、污泥焚燒灰燼回收技術、源分離技術。

　　鳥糞石沉淀技術

　　鳥糞石是由鳥獸積糞和遺體堆積形成的礦石，其主要成分是Mg(NH4)[PO4]·6H2O;鳥糞石可以直接作為一種緩釋肥料使用[3]。通過投加化學試劑，使污水中的氨和磷酸鹽沉淀生成鳥糞石，這就是鳥糞石沉淀法。

　　圖3 鳥糞石

　　加拿大的Ostara公司是一家專門幫助污水廠實現營養物質回收和資源的產品化的公司。針對磷回收方面，他們的Pearl工藝可謂是一枝獨秀，據說這種工藝可以實現污水中高達85%的磷去除率，還能減少污泥脫水消化液中40%的氨氮負荷(詳細工藝介紹見附錄)。同時，Ostara公司還推出了由Pearl工藝生成的鳥糞石衍生的Crystal Green®磷肥。這種磷肥可以在植物根部長期穩定地釋放氮磷鎂元素，同時能夠防止雨水沖刷等造成的流失。目前此工藝已被運用于世界上最大的污水處理廠——美國芝加哥Stickney污水處理廠，在北美和歐洲有廣泛的運用。

　　污泥焚燒灰燼磷回收技術

　　現有的污水處理廠主要的除磷措施就是采用A2/O工藝，活性污泥中的聚磷菌在厭氧區釋放磷，在好氧區吸收磷，最后污水中的大部分磷都被富集到活性污泥中，實現污水除磷。因此污泥中的磷含量是十分高的。通過焚燒處理，污泥中的細菌、臭味物質和有害有機物質幾乎被完全摧毀，而磷則以無機鹽的形式留存在灰燼中。將灰燼加工后，可作為磷肥使用，這種方法的磷回收率可以達到90%以上。

　　奧地利的ASH DEC Umwelt AG公司的ASHDEC-灰燼磷回收工藝(下簡稱ASH工藝)實現了污泥焚燒灰燼的磷回收，該方法被運用于德國聯邦材料研究所(BAM)發起的SUSAN計劃中，該計劃致力于利用熱處理從污水污泥中回收養分(詳細工藝介紹見附錄)。ASH工藝可以去除灰燼中的重金屬，并將灰燼中的磷酸鹽轉化成能夠被植物吸收利用的形式。最后得到的產品是該公司生產的PhosKraft®多營養灰肥，該肥料處理成本低，與從磷礦煉制的磷肥成本差不多，是一種經濟的磷回收手段。目前該工藝專利已被芬蘭的奧圖泰(OUTOTEC)公司收購。[5,

　　源分離技術

　　源分離指的是從源頭上分離污染物。對于磷來說，尿液是生活污水中磷的主要來源，其中的磷含量占生活污水中總磷的50%左右，而尿液的體積僅有2%左右。直接從尿液中回收磷元素主要有以下幾個好處：①尿液成分單一，進行回收效率較高;②相較于生活污水，尿液中不含重金屬，分離得到的磷不用處理重金屬;③回收磷的同時還可以同時回收尿液中的氮和鉀等營養素;④在源頭分離后，生活污水中的氮磷濃度下降，減輕污水處理廠處理負荷。[9]

　　早在20世紀90年代，德國研究機構就提出了“生態衛生系統(ECOSAN ，Ecological Sanitary System)”的概念，其主張以家庭為基本控制點，將尿液、糞便以及其他生活污水分類收集處理，并實現水和營養物質的回收。目前ECOSAN系統已廣泛運用于歐洲地區的分散式家庭污染控制與資源化。

　　No.3 歐盟的磷回收政策

　　歐洲的磷元素十分匱乏，根據美國地質調查局的統計，磷元素豐富的歐洲國家只有芬蘭(見圖1)。

　　因此歐盟在2018年新修訂的《化肥管理條例》中，正式提出以回收磷制取磷肥的標準，滿足標準的回收物可作為產品流通。新版《條例》實施后，可以代替30%的磷礦石，其進口量可以減少6百萬噸。

　　歐盟各國的磷回收形勢一片火熱。從污水磷回收這個方面看，荷蘭在2008年就勾勒好了污水處理廠作為營養物回收工廠的藍圖;瑞士于2016年1月1日開始實行從污水/污泥中強制回收磷并建立磷元素的封閉循環系統;蘇格蘭出臺了“零廢物蘇格蘭計劃”，磷是計劃中的首位關鍵循環物;法國政府建立了“磷回收網絡系統”，用以調度磷回收和其產業化發展;德國環境部出臺了《污泥條例改革修正案》，劍指回收污泥中的磷。

　　總體來看，歐盟及各國制定的一系列政策和規劃對我國未來的污水磷回收除了有技術上的幫助外，推動污水資源回收的政策、創新綠色的思想也對為我國未來的污水處理起到了導向和借鑒的作用。

　　No.4 總結

　　總而言之，從污水中回收磷是一件必要的事。現在我國或許并不需要像歐洲一樣大張旗鼓地從各種廢物中搶奪磷，但是，鑒于磷是一種不可再生的資源，未雨綢繆可能會好一些，更何況我們已經有了很多可以借鑒的例子。但存顆粒磷，留與子孫用。

　　附錄

　　Pearl工藝[4]

　　Pearl工藝主要用于直接對污泥水進行磷回收。在一個流化床反應器內，通過投加氯化鎂和氫氧化鈉(反應器內pH值被調節設置在7.2和8.0之間)，可在反應器內沉淀形成MAP。被處理的污泥水從下向上穿流反應罐。作為補充，一部分污泥水進行內部環流，產生流化效應。也因為這一原因，這一處理工藝所需要的反應器體積和相應投資費用就變得很大。

　　MAP的長晶，或者說MAP圓形大顆粒的形成是在反應器內鳥糞石結晶種基礎上形成。在流化床內，晶種始終不斷地與新沉淀的MAP相接觸，并逐漸變大。直到晶體直徑長大至6 mm時，因為顆粒本身重量原因下沉至反應器底部，此時MAP以產品形式排出裝置。這些MAP產品后續還必須進行干燥處理

　　圖6 Pear

　　ASHDEC-灰燼磷回收工藝：

　　首先將氯化鈣(CaCl2) 和/或氯化鎂(MgCl2) 投加至含磷污泥灰燼中，投加碳酸氫鈉 (NaHCO3)。這些添加劑先溶于蒸餾水內，然后與灰燼混合，初始漿液含水率在30 % 左右。于流化爐內，溫度為大約 1000°C 下，熱處理混合物約20分鐘，此時重金屬轉化成相應的氯化物揮發，進入后續的化學洗氣塔洗脫，被分離取出的有害物質被繼續進行處理處置。在新形成的固體物質中，富集了干凈的高含量磷化合物質，通過處理植物的吸收利用性能也明顯提高[5]。目前OUTOTEC公司已經對污泥焚燒工藝進行了很多改進，同時也將這種技術運用到很多地方，如瑞士蘇黎世韋德霍茲利污泥焚燒廠、土耳其EREN Corlu生物質熱點聯產廠等[12]。

　　蘇黎世州污泥焚燒工藝| OUTOTEC

　　2、污水熱源泵

　　冬天取暖卻是一個永恒的話題。我國北方城市地區一般以暖氣為主，南方地區以“一身正氣”為主。取暖就免不了燃燒，近年來，華北地區冬季空氣質量越發受到關注，這與大量化石燃料燃燒取暖也有一定的關系。如果有一種新的熱源可以代替一部分燃料供熱，這個問題可能會緩解。

　　北京霧霾

　　接下來就是見證奇跡的時刻

　　污水源熱泵——一個好玩的東東

　　污水源熱泵本質上是水源熱泵的一種。水源熱泵采用熱泵原理，通過少量的高位電能輸入，實現水中的低位熱能向高位熱能轉移的一種技術[1] 。通俗地說，我們使用壓縮機等電機將溫度較低的水中的熱量收集起來，并把這些熱量轉移到更少量的水中，獲得高溫的水進行供熱。污水源熱泵中使用的水源是污水。在冬季，生活污水的溫度往往比氣溫高，如果能夠把這些熱量利用起來，生活污水將是一個穩定、環保的熱源。

 

　　接下來讓我們來認識一下它

　　污水源熱泵的優點與局限性

　　筆者看來，污水源熱泵的最亮眼的地方在于它實現了能量的多級利用。什么是能量的多級利用?舉個簡單的例子，我們吃的香蕉只吃香蕉肉而丟棄香蕉皮被丟棄，從物質的角度來看，香蕉皮沒有起到任何作用甚至成為了負擔;但假如我們把香蕉皮拿去發酵做肥料，那么香蕉皮就被好好利用了。暖氣讓屋子暖和起來的熱量好比是香蕉肉，污水中的熱量就好比是香蕉皮，如果我們不能找到利用它的途徑，那么這些能量的最終歸宿就是白白耗散。污水源熱泵可以把這部分熱量利用起來，這樣一來，我們就增大了燃燒化學燃燒得到的熱量的利用效率。

　　如果只是實現了能量的更大率就把污水源熱泵運用到生活中，這個理由是不充分的，建設成本和經濟效益也是需要考慮的方面。評價成本和經濟效益的一個重要指標就是能效比(COP)，能效比指的是消耗單位電能得到的熱能，舉個例子來說，一級節能的空調COP標準為大于等于3.4，那么消耗一度電能夠得到3.4千瓦時的熱，大約夠把72瓶20攝氏度的500mL礦泉水燒開。根據國外學者Hepbasli[2] 的研究，污水源熱泵的理論COP最高可達10.60。直觀地說，得到相同的熱量，污水源熱泵所消耗的能量比傳統模式(如燃煤等)減少約20%~30%[3]。

　　當然，污水源熱泵還存在這一些局限，使得目前在我國無法廣泛運用。未經處理的生活污水中含有較多的雜質，容易造成管道的腐蝕和堵塞，因此現在我國運用污水源熱泵的地區大多是污水處理廠或者污水處理廠周邊地區;此外污水源熱泵設備的初始投資較高，需要更長的時間才能得到正收益。

　　腐蝕的管道

　　污水源泵的運用現狀

　　日本是運用污水源熱泵較早的國家之一，在日本，污水廠不僅污水處理廠，也是熱源廠，在日本有70%以上的生活污水中的熱得到了有效地利用;而在我國，污水源熱泵的運用起步較晚，目前還未大規模運用，主要在污水處理廠和某些高校實驗樓得到運用。一個好消息是，哈爾濱今年擬建設16座污水源熱泵站 折合供熱總面積達2762.5萬平方米[4]。

　　期待我們能夠大規模使用污水熱源的一天，到那個時候，北方的天可能會更藍一些。

　　附錄：

　　水源熱泵工作原理簡介[5]：

　　水源熱泵可以分為三個部分：熱量采集系統、能量提升系統和能量釋放系統。

　　具有一定溫度的水被采集進入蒸發器，在蒸發器中，水中的熱量傳遞給能量提升系統中的換熱介質，換熱介質由液態蒸發為氣態;之后，氣態的換熱介質經壓縮機壓縮成為高溫高壓的氣體，在冷凝器中，把熱量傳遞給能量釋放系統管道中的釋熱介質(如水)，使其升溫，而換熱介質重新凝結成液態。整個過程實現了低位熱能轉化為高位熱能，達到供熱的目的;當需要制冷時，將蒸發器和冷凝器的位置交換即可。目前使用較多的是更為方便的三通閥實現制冷供熱轉換，感興趣的讀者可自行查閱相關資料，這里不再贅述。

　　水源熱泵工作原理

　　3、再生水

　　從污水處理廠中來的飲用水

　　我們大家都知道

　　水是我們生活的必需品。這是一杯生活中很常見的水

　　當你口渴難耐的時候，相信你會毫不猶豫的一口喝下

 

　　那么問題來了，如果這是一杯來自城市污水處理廠的再生引用水，你還能心安理得地喝下去嗎?

　　請看下圖

　　污水處理廠中的水

　　我就知道你會拒絕，那么聽完這些理由之后呢?

　　首先，再生飲用水是絕對安全的。以新加坡的再生飲用水NEWater處理流程為例，傳統污水處理廠二級處理的出水，首先經過精細格柵過濾，在進入微濾或者超濾工藝單元，去除細顆粒物后，進入反滲透工藝單元，去除細菌、病毒以及大部分溶解鹽。

　　反滲透出水進行紫外消毒，最終凈化為“NEWater”，這個流程和瓶裝飲用水的處理流程幾乎一致。簡而言之，再生飲用水是去除了污水當中所有對人體有害物質而來的純凈水。

　　新加坡NEWater處理流程圖

　　其次

　　再生飲用水口感和普通飲用水幾乎一致。加州大學的一個研究小組在2018年進行了一項盲品測試，參與者品嘗再生飲用水、自來水和商業瓶裝水(事先未知)之后，告訴研究人員幾種水的味道如何。

　　研究結果表明，再生水味道比自來水好一點，和商業瓶裝水差不多，這可能是因為二者的制備工藝差不多。也就是說，喝再生水和礦泉水是完全一樣的體驗，不會有什么不同

 

　　最后，也是最重要的一點，我國淡水資源嚴重匱乏。我們從小就被灌輸節約用水的概念，說到缺水，很多人都只有一個抽象的概念，比如我國人均水資源占有量2200立方米排名世界第121位。從一個側面角度來看，頻發的“地陷”事故正是淡水資源匱乏的表現。淡水資源短缺導致超額抽取地下水，使得城市下方形成巨大的地下水漏斗，承壓地下水水位下降，引起地面塌陷和地面沉降等。如果我們能夠將生活污水嚴格處理后再利用，水資源短缺問題也就能得到緩解。

　　深圳市“地陷” | 中新聞

　　什么?

　　聽完這些你還是覺得不太能接受再生水?

　　好吧，其實我也能理解

　　因為一說到再生飲用水，很多人的第一印象是這樣的：

　　污水再生飲用水 | 圖源MinuteEarth

　　MinuteEarth在他們的視頻Would You Drink Water From Sewage 中分析了人們的心理，人們會本能地抗拒哪怕遭受輕微污染的食物，這可能是人類進化而來的本能，因為這樣能讓我們避免吃下可能讓我們中毒的臟東西[2]。

　　讓我們來看看國外是怎么處理這個問題的。

　　新加坡是世界上淡水資源最匱乏的國家之一，80%以上的淡水資源依靠馬來西亞進口。這也促使新加坡將生活污水回收利用。為了讓大眾放心飲用再生水，新加坡政府將再生水命名為NEWater，吳作棟總理更是在2002年的37周年國慶上第一個飲用NEWater，宣布新加坡人日后的飲用水將是NEWater和自來水的混合水，這些舉措使得新加坡居民對污水再生不再排斥。

 

　　美國加州橙縣是地下水超采嚴重地區，形成的地下水漏斗導致了海水入侵等嚴重問題。1975年，橙縣水管局建造了“21世紀水廠”，這是世界上第一個采用膜處理的再生水廠。他們將處理后的再生水用于回灌地下水，達到間接飲用的目的，成為目前世界上最大的再生水間接用于飲用水和生態補給的污水凈化項目，因此也獲得了2014年的“李光耀水獎”[4]。

 

　　● 我們相信

　　相信在不遠的將來，我們很快就能夠品嘗到“新生水”了。

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