城市廢水能源化與資源化處理技術(shù)進展

丁為俊，杜玉吉，丁江華，姚余善

（中節(jié)能城市節(jié)能研究院有限公司，江蘇 常州 213000）

黨的十九大報告提出“要建設(shè)生態(tài)文明，必須推進綠色發(fā)展，建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展的經(jīng)濟體系”。循環(huán)經(jīng)濟作為一種新的發(fā)展模式，基本理念就是高效節(jié)約、利用資源。在此背景下，我國城市廢水處理行業(yè)將面臨從單一的去除廢水中的污染物為目標向能源化、資源化的方向進行革新轉(zhuǎn)變。在新形勢下，廢水蘊藏的巨大資源吸引了越來越多科研工作者的關(guān)注。廢水中主要蘊含三大類資源。

第一類是廢水中蘊含的巨大的有機化學(xué)能源。在傳統(tǒng)污水處理過程中，這類資源通常是需要消耗大量能量去除的對象，而如今則是可回收利用的資源?！度珖h(huán)境統(tǒng)計公報（2015年）》顯示，2015年全國廢水排放總量為735.3億t，廢水中化學(xué)需氧量（COD）排放量為2 223.5萬t，按每千克COD能產(chǎn)生1.4×107J的代謝熱量計算，廢水中含有3.2×1017J的化學(xué)能，折合相當(dāng)于1 100萬t標準煤，利用價值巨大。

第二類是污水中的熱能資源。城市污水冬暖夏涼，是良好的冷熱源。以西安市為例，冬季污水溫度維持在11.8～16.3℃，平均溫度為13.5℃，若采用污水源熱泵技術(shù)加以利用，按7℃溫差進行測算，可滿足數(shù)千萬平方米建筑面積的供暖需求。

第三類是再生水資源。再生水是廢水經(jīng)過相關(guān)處理設(shè)施處理后的排放水，達到相關(guān)水質(zhì)標準后，可在一定范圍內(nèi)使用的凈化處理水，是公認的“城市第二水源”[1]。我國是世界上水資源最匱乏的國家之一，廢水再生回用對于緩解我國水資源短缺有重要意義，這已成為城市用水規(guī)劃的重要內(nèi)容。本文將主要介紹城市廢水中蘊藏的有機化學(xué)能、熱能及再生水資源利用技術(shù)的研究進展，并對相關(guān)技術(shù)的耦合利用進行展望。

1 廢水有機化學(xué)能能源化利用技術(shù)

1.1 厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷技術(shù)

厭氧發(fā)酵（或厭氧消化）是指在厭氧微生物的作用下，有目的地將可生物降解的有機物轉(zhuǎn)化為CH4、CO2和其他物質(zhì)的生物化學(xué)過程，由于厭氧發(fā)酵產(chǎn)物的主要成分是以CH4為主的沼氣，故稱之為厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷技術(shù)。在廢水處理過程中，厭氧發(fā)酵技術(shù)可以將儲存在有機污染物中的低品位化學(xué)能轉(zhuǎn)化為高品位沼氣生物能，從而產(chǎn)生一定的經(jīng)濟效益[2]。與好氧生物技術(shù)相比，該技術(shù)不需要曝氣設(shè)備，設(shè)施簡單、運行成本低，但該技術(shù)還存在以下不足：厭氧微生物在冬天時生物活性低，為了保證處理效率，通常需要加熱廢水，導(dǎo)致處理成本增加；厭氧處理過程中易產(chǎn)生H2S等惡臭氣體，甲烷燃燒熱的利用率低，僅為30%；其最終產(chǎn)物甲烷屬于溫室氣體，有研究表明，甲烷致溫室的效應(yīng)是CO2的20倍[3-5]。

1.2 生物制氫技術(shù)

作為一種可再生的二次能源，氫的熱值高，反應(yīng)速度快，燃燒產(chǎn)物清潔，可以有效減緩化石燃料燃燒過程中造成的溫室效應(yīng)，因此氫被認為是一種具有重要應(yīng)用前景的載能體。生物制氫以有機物為原料，通過細菌發(fā)酵或光合作用進行制氫，具有安全、環(huán)境友好、成本低等優(yōu)點，但該技術(shù)存在產(chǎn)氫效率低的瓶頸[6-7]。

1.3 微生物燃料電池技術(shù)

微生物燃料電池（Microbial Fuel cell，MFC）是一種利用具有電化學(xué)活性的微生物直接將蘊藏在有機污染物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的新型廢水處理技術(shù)，它集廢水凈化和能量回收為一體，是一種典型的節(jié)能減排新技術(shù)，一旦實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化將產(chǎn)生不可估量的能源、環(huán)境和社會效益[8]。微生物燃料電池的工作原理如圖1所示。

圖1 MFC工作原理

微生物具有產(chǎn)電能力可以追溯到1911年。英國植物學(xué)家Potter利用大腸桿菌和酵母菌做催化劑，鉑金作為電極材料，發(fā)現(xiàn)微生物能產(chǎn)生少量電能，首次提出了微生物燃料電池的概念[9]。但由于產(chǎn)生的電能非常低，這一結(jié)果在當(dāng)時并未得到重視，其后在很長的一段時間內(nèi)發(fā)展緩慢。直到20世紀80年代，由于電子傳遞中介體的廣泛應(yīng)用，微生物燃料電池的產(chǎn)電功率得到顯著提高才引起關(guān)注。1999年MFC的研究取得重大突破，韓國科學(xué)技術(shù)研究院的Kim等人發(fā)現(xiàn)MFC不添加電子中介體也能產(chǎn)生較大功率，自此無中介體MFC的研究得到了廣泛關(guān)注和快速發(fā)展，產(chǎn)電功率從2001年前的不足0.1 W/m2，提高至現(xiàn)在的6.9 W/m2，MFC實用化相關(guān)研究也蓬勃展開[10]。

2 廢水熱能能源化利用技術(shù)

國家《“十三五”節(jié)能減排綜合性工作方案》明確了節(jié)能減排的總體要求和主要目標。為達到這一目標，越來越多的城市重視廢水中的低品位熱能資源的開發(fā)與利用。污水源熱泵主要是以城市污水作為提取和儲存能量的載體，借助熱泵系統(tǒng)，消耗少量的驅(qū)動電能，從而達到制冷制暖效果的一種創(chuàng)新技術(shù)[11]。根據(jù)利用水源的不同，可以分為原生污水源熱泵與再生水源熱泵。

2.1 原生污水源熱泵技術(shù)

城市污水處理廠往往位于城市人口較為稀少、地址較為偏僻的地區(qū)，開發(fā)應(yīng)用有一定的局限性。對于距離污水處理廠較遠，但供冷或供熱需求集中且量較大的商業(yè)區(qū)或者住宅區(qū)，可沿途利用原生干渠中的原生污水。原生干渠中的原生污水水量較大，水溫較為穩(wěn)定，是良好的冷熱源，但水質(zhì)較差，水中顆粒污雜物較多，因而通常不能直接利用，而是通過設(shè)置污水換熱器，利用中介水提取其中熱量之后再進入熱泵機組實現(xiàn)供能。污水源熱泵技術(shù)與傳統(tǒng)供能技術(shù)相比具有節(jié)電、節(jié)水、節(jié)初投資、環(huán)保等優(yōu)勢[11]。以西安土門商圈區(qū)域集中供暖（冷）項目而言，采用污水源熱泵系統(tǒng)滿足區(qū)域內(nèi)312萬m2建筑面積的供熱（冷）需求，與傳統(tǒng)的冷水機組+燃氣鍋爐的供能形式相比，每年可節(jié)約6 783 t的標煤，16 910 t的CO2，112 t的SO2，105t的NOx，以及65 t的煙塵，帶來了巨大的經(jīng)濟與環(huán)境效益。

2.2 再生水源熱泵技術(shù)

如果在污水處理廠周圍就有熱負荷需求，可就近使用污水處理廠排放的再生水。其與原生污水源熱泵相比，原理相近，但由于水質(zhì)更為潔凈，可以直接進入熱泵機組，因而投資更省，熱效率更高。

2.3 冷水相變供熱技術(shù)

在冬季，污水處理廠排放的再生水中的熱能被熱泵機組提取之后，溫度進一步降低，傳統(tǒng)的熱泵機組已無法繼續(xù)使用，此時便需要采用輔助熱源，如燃氣鍋爐等來滿足供能。冷水相變供熱技術(shù)則提供了另一個解決途徑。原生污水源熱泵或再生水源熱泵所提取的熱量僅是廢水中的顯熱，相對于有限顯熱，城市廢水中的凝固潛熱更為客觀。水的相變潛熱為335 kJ/kg，與水的比熱4.186×103kJ/（kg·℃）相比，0℃的水凝固后其釋放的潛熱能量相當(dāng)于水降低80℃釋放出的顯熱能量。冷水相變供熱技術(shù)的工作原理如圖2所示。錢建峰對冷水相變技術(shù)進行了系統(tǒng)的研究，發(fā)現(xiàn)雖然采集凝固熱時的熱泵機組與傳統(tǒng)熱泵機組相比能效比略低，但供熱期仍可以達到3.5～4.0，在經(jīng)濟效益方面初投資要高出115%～150%，而運行費用僅為后者的60%～80%[12]。倘若再能得到國家或地方政府的財政補貼，該技術(shù)將具有非常大的應(yīng)用前景。

圖2 冷水相變技術(shù)工作原理

3 廢水再生資源化利用技術(shù)

廢水再生資源化利用技術(shù)由再生回用用途決定。

3.1 再生水回用用途

3.1.1 工業(yè)用水

工業(yè)無論是從用水量還是排水量看都是大戶，但是面對清水日缺、水價漸長的現(xiàn)實，工業(yè)除了除了將本廠廢水循環(huán)利用，以提高水的重復(fù)利用之外，對城市再生水用于工業(yè)也日漸重視[13]。目前在國內(nèi)，城市污水再生水作為電廠工業(yè)循環(huán)冷卻水、造紙用水已得到較多的研究和應(yīng)用[14-15]。城市廢水再生用于工業(yè)用水需滿足《城市污水再生利用 工業(yè)灌溉用水水質(zhì)（GB/T 19923-2005）》的相關(guān)要求。

3.1.2 農(nóng)業(yè)用水

農(nóng)業(yè)灌溉是再生水回用的主要形式[16]。以色列是最早使用再生水進行農(nóng)作物灌溉的國家之一，其占原生污水2/3的再生水回用于農(nóng)業(yè)灌溉，這一比例為世界之最。我國北方區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉用水缺口日趨嚴重，再生水灌溉得到越來越多的重視。再生水灌溉一方面可以為植物生長提供所必需的N、P等所需養(yǎng)分，增加土壤有機質(zhì)，從而提高土壤肥力和生產(chǎn)力水平，另一方面可一定程度深度處理污水，減少環(huán)境污染，降低對環(huán)境和人類健康的危害。城市廢水再生用于農(nóng)業(yè)用水需滿足《城市污水再生利用 農(nóng)業(yè)灌溉用水水質(zhì)（GB 20922-2007）》的相關(guān)標準。

3.1.3 城市雜用水

再生水用于城市雜用主要包括綠化、消防、沖洗用水、建筑施工及公共建筑和居民沖廁用水[17]。2014年，西安市已建成再生水處理設(shè)施7座，總處理能力26.3萬m3/d，建有再生水取水點138個，主要用于市政雜用等。城市雜用水在使用中與人體接觸的概率最大，為保證人體健康，回用時應(yīng)堅持不與人體直接接觸為基本原則。此外，再生水回用于城市雜用水時還應(yīng)符合國家《城市污水再生利用 城市雜用水水質(zhì)》（GB/T 18920-2002）的相關(guān)要求。

3.1.4 景觀用水

隨著人們對生活水平和人居環(huán)境質(zhì)量要求的提高，設(shè)置人工湖泊、河道及景觀水池已成為房地產(chǎn)開發(fā)商吸引用戶的一個重要手段?！八白≌笨梢载S富空間環(huán)境，增加居住環(huán)境的濕度，減少浮沉，為人們營造出回歸自然的氛圍，帶來精神上的享受。水資源短缺已成為限制我國經(jīng)濟發(fā)展的一個因素，采用再生水補充景觀用水已成為一種必然[18]。例如，北京、天津、西安、鄭州等地均已開展再生水補充景觀水體實踐，取得了一定效果，但在實踐中也發(fā)現(xiàn)藍藻暴發(fā)、水體顏色變綠等富營養(yǎng)化癥狀，因此在應(yīng)用過程中也存在一定的風(fēng)險。城市廢水再生用于景觀用水需滿足《城市污水再生利用 景觀環(huán)境用水水質(zhì)》（GB/T 18921-2002）的相關(guān)標準。

3.1.5 直飲水

世界上大多數(shù)地區(qū)或國家對生活飲用水的控制非常嚴格，例如美國環(huán)保局認為，除非別無水源可用，盡可能不以再生污水作為飲用水[19]。但是在非洲等極度缺水地區(qū)，利用污水制取直接飲用水已成為當(dāng)?shù)仫嬘盟闹匾獊碓粗籟20]。

3.2 再生水回用技術(shù)

廢水再生回用處理技術(shù)主要包括物理法、化學(xué)法和生物法三大類。物理法是指利用物理或機械作用將污染物從廢水中分離或回收，如過濾、沉淀、離心、氣浮、蒸發(fā)法等?；瘜W(xué)法是指利用化學(xué)反應(yīng)將污染物轉(zhuǎn)化為其他無害物質(zhì)，如中和、萃取、氧化、混凝、沉降等。生物法是指利用微生物的生化作用對廢水中的有害物質(zhì)進行分解和轉(zhuǎn)化，如活性污泥法等。與物理法、化學(xué)法相比，生物法具有經(jīng)濟、高效的特點，并可實現(xiàn)無害化、資源化，是目前各行業(yè)廢水處理最為廣泛采用的方法。

活性污泥法是一種利用好氧生物的廢水處理方法，其衍生改良工藝包括氧化溝法、AO法（厭氧好氧工藝法）、A2O法（厭氧-缺氧-好氧法）、SBR法（序批式活性污泥法）等，是目前處理城市廢水最廣泛的方法[21]。好氧生物處理技術(shù)具有處理速度快、處理效果好的特點，但存在的缺點也同樣明顯，包括以能治廢，僅將污水中的污染物視為去除的對象，而不是可回收利用的資源，因而其成本居高不下。

與好氧生物處理技術(shù)相比，厭氧處理技術(shù)，如前文介紹的厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷技術(shù)，則充分重視廢水的資源屬性，但是其處理速度較好氧慢，因而一般厭氧處理技術(shù)的占地面積較大，初投資也較大[22]。

MFC是介于好氧生物處理與厭氧生物之間的一種廢水處理技術(shù)，或者是一種廢水資源化處理技術(shù)，其產(chǎn)電機理是兼性或厭氧的產(chǎn)電微生物將有機污染物轉(zhuǎn)化為電流，裝置內(nèi)的好氧微生物同時也在降解有機污染物，因而處理速度、處理效果、占地等都要優(yōu)于厭氧生物處理技術(shù)[23]。

廢水無論是采用好氧生物處理技術(shù)還是采用厭氧生物處理技術(shù)、MFC，其出水中的懸浮物、有機污染物等還需進一步去除[19]。常用的深度處理技術(shù)包括絮凝、過濾、活性炭吸附等?；钚蕴亢写罅课⒖?，比表面積較大，可有效地去除色度、臭味、無機物及部分重金屬，是深度處理中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一。在再生水回用處理中應(yīng)用較為廣泛的膜技術(shù)有膜生物反應(yīng)器（Membrane bioreactor，MBR）、反滲透膜（Reverse Osmosis，RO）、微濾膜（Microfiltration，MF）、納濾膜（Nanofiltration，UF）等，其去除效率較高。膜價格的降低會促使膜分離技術(shù)在再生水深度處理中的應(yīng)用。

為達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2016）的要求，再生水通常需要進行消毒[24]。一般來說，再生水消毒的方法可分為化學(xué)消毒法與物理消毒法?；瘜W(xué)消毒法有加氯消毒和臭氧消毒等，物理消毒法有紫外線消毒等。加氯消毒因為價格低廉且使用較為靈活因而應(yīng)用最多。加氯消毒的主要缺點是產(chǎn)生有機氯等物質(zhì)，對水生生物有影響。為減少加氯消毒副產(chǎn)物的影響，臭氧開始得到越來越多的應(yīng)用。但是，臭氧生產(chǎn)的耗電量較大，且水中剩余臭氧降解較快，因而對細菌的抑制時間較短。紫外線消毒是將再生水暴露于具有破壞能量級的紫外線燈下[25]。在設(shè)計紫外線的系統(tǒng)中，一般應(yīng)用2537 ?的波長，燈泡裝在密封的石英管內(nèi)，還必須考慮光激活作用的現(xiàn)象，即在暴露燈光下，重新恢復(fù)細胞活性的可能性。

4 廢水資源能源化資源化技術(shù)綜合利用展望

在工程應(yīng)用中，前文所述的針對廢水中的有機化學(xué)能、熱能及再生水資源的利用技術(shù)不僅可以針對性地獨立應(yīng)用，還可以綜合運用同時實現(xiàn)有機化學(xué)能、熱能及再生水資源的回收與利用?，F(xiàn)以某高有機污染物濃度廢水為例進行說明。如圖3所示，有機廢水經(jīng)過格柵過濾及調(diào)節(jié)池后，首先進入上流式厭氧污泥床反應(yīng)器（Up-flow anaerobic sludge blanket，UASB）。在UASB內(nèi)有機廢水在發(fā)酵型細菌與產(chǎn)甲烷細菌的作用下，有機污染物經(jīng)過水解、酸化等過程以沼氣的形式經(jīng)過三相分離器由UASB裝置上部溢出。

沼氣主要有以下用途：經(jīng)過除水脫硫凈化之后作為燃料；凈化之后進入沼氣發(fā)電機或者沼氣鍋爐發(fā)電或供熱；沼氣利用過程中產(chǎn)生的余熱可以給UASB加熱，尤其在冬季時可以保證UASB的反應(yīng)及產(chǎn)氣速率。廢水經(jīng)過UASB后，大部分有機污染物以沼氣的形式得以能源化回收，廢水濃度顯著降低，但還高于排放標準。UASB排出水在經(jīng)過MFC裝置后，污染物濃度進一步降低，而且較低濃度的有機污染物在產(chǎn)電微生物的作用下直接以電能形式得以回收。UASB與MFC技術(shù)可以實現(xiàn)高濃度有機廢水中有機化學(xué)能的梯級回收與利用。

當(dāng)廢水濃度較低時，廢水經(jīng)過調(diào)節(jié)池后可以直接進入MFC。經(jīng)過MFC處理的廢水水質(zhì)得到提升，為使再生水達到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、城市雜用、景觀用水或者直飲水的標準，還需利用絮凝、MBR、RO、MF、UF、活性炭等深度處理技術(shù)。水質(zhì)得到顯著提升的再生水直接進入熱泵機組作為“冷熱源”，滿足用能建筑的冷熱需求。熱泵機組排放出來的再生水還可作為水資源用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、城市雜用等用水。圖3中所示的利用形式充分提取了廢水中的可用資源，實現(xiàn)了對污水資源的“吃干榨盡”。圖中熱泵機組采用的是經(jīng)過處理的再生水而不是原生污水，不僅在投資及熱效率上更優(yōu)，特別是當(dāng)冬季溫度較低時，避免了原生污水因被熱泵機組提取熱量溫度降低從而影響污水生化處理[26]。

圖3 廢水能源化與資源化技術(shù)綜合利用示意圖

5 結(jié)語

廢水蘊藏的資源非常豐富，本文分別從廢水有機化學(xué)能與熱能回收、再生水回用等角度介紹了當(dāng)前主要的應(yīng)用技術(shù)，相關(guān)技術(shù)均已比較成熟，因此急需在城市既有污水處理廠改造或新建污水廠的過程中因地制宜地集成相關(guān)技術(shù)，實現(xiàn)廢水的能源化與資源化應(yīng)用，再通過提升能源管理水平，實現(xiàn)系統(tǒng)能源“自給自足”目標的同時實現(xiàn)對外供能。