高品質(zhì)沸石濾料生產(chǎn)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(zhì)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(lián)合國水務(wù)發(fā)展報告以《污水：未開發(fā)的資源》為題，論證了污水資源化的需求。報告中指出，人類產(chǎn)生的污水有80%未被得到有效處理，而污水應(yīng)該是一種資源而不是負擔(dān)，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(nèi)容

　　污水資源化的內(nèi)容主要有兩個部分：

　　首先是污水的循環(huán)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(zhì)達標(biāo)再利用是我國實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。

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

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

　　圖2 污水中的有機物轉(zhuǎn)化途徑

　　對于無機營養(yǎng)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(xué)循環(huán)途徑和循環(huán)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(huán)途徑不完全、循環(huán)通量小。同時，王老師指出，污水中磷元素含量大，日本調(diào)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(jié)合，隨污泥進入農(nóng)田中。

　　圖3 自然界中的氮循環(huán)

　　圖4 自然界中的磷循環(huán)

　　對于其余物質(zhì)，王老師認為，以目前的技術(shù)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(chǎn)氣發(fā)電發(fā)熱，實現(xiàn)有機物中的化學(xué)能以電能和熱能方式回收。另一途徑是利用不同季節(jié)污水和環(huán)境溫度的溫差，在冬天，污水的溫度比環(huán)境溫度高約10攝氏度左右，而在夏天，污水的溫度比環(huán)境溫度低約10攝氏度左右，籍此實現(xiàn)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(zhuǎn)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(jié)霜的不足，而且運行可靠性和制熱效率又高，近年來國內(nèi)應(yīng)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(yǎng)素，是引起水體富營養(yǎng)化的“元兇”之一。

　　No.1 磷礦儲量：“危機” or not ?

　　磷是農(nóng)業(yè)肥料中的重要元素，其主要來源是磷礦石。如圖，根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局統(tǒng)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(zhì)調(diào)查局

　　關(guān)于人類是否馬上面臨磷危機，學(xué)界存在兩種不同的觀點。例如IFDC(International Fertilizer Development Center，國際肥料發(fā)展中心)的地質(zhì)學(xué)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(fā)現(xiàn)，世界不會立即面臨磷危機;而我國知名學(xué)者郝曉地教授[2]在他的著作《磷危機概觀與磷回收技術(shù)》中指出，地球上經(jīng)濟可開采的無雜質(zhì)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(yǎng)素氮相比，磷在自然界中的循環(huán)極為“單調(diào)”：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(fā)成氣體，就無法進入隨大氣循環(huán)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(zhuǎn)移到陸地的途徑。對于海底的磷，只有發(fā)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(huán)| 人與生態(tài)網(wǎng)

　　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(xiàn)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(shù)和運用

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

　　鳥糞石沉淀技術(shù)

　　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(xué)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(xiàn)營養(yǎng)物質(zhì)回收和資源的產(chǎn)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(jù)說這種工藝可以實現(xiàn)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(wěn)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(shù)

　　現(xiàn)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(qū)釋放磷，在好氧區(qū)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(xiàn)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(zhì)和有害有機物質(zhì)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(xiàn)了污泥焚燒灰燼的磷回收，該方法被運用于德國聯(lián)邦材料研究所(BAM)發(fā)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(yǎng)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(zhuǎn)化成能夠被植物吸收利用的形式。最后得到的產(chǎn)品是該公司生產(chǎn)的PhosKraft®多營養(yǎng)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(jīng)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(shù)

　　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(yǎng)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(gòu)就提出了“生態(tài)衛(wèi)生系統(tǒng)(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(xiàn)水和營養(yǎng)物質(zhì)的回收。目前ECOSAN系統(tǒng)已廣泛運用于歐洲地區(qū)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(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局的統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)，滿足標(biāo)準(zhǔn)的回收物可作為產(chǎn)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(yǎng)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(huán)系統(tǒng);蘇格蘭出臺了“零廢物蘇格蘭計劃”，磷是計劃中的首位關(guān)鍵循環(huán)物;法國政府建立了“磷回收網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)”，用以調(diào)度磷回收和其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展;德國環(huán)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(guī)劃對我國未來的污水磷回收除了有技術(shù)上的幫助外，推動污水資源回收的政策、創(chuàng)新綠色的思想也對為我國未來的污水處理起到了導(dǎo)向和借鑒的作用。

　　No.4 總結(jié)

　　總而言之，從污水中回收磷是一件必要的事。現(xiàn)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(jīng)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(yīng)器內(nèi)，通過投加氯化鎂和氫氧化鈉(反應(yīng)器內(nèi)pH值被調(diào)節(jié)設(shè)置在7.2和8.0之間)，可在反應(yīng)器內(nèi)沉淀形成MAP。被處理的污泥水從下向上穿流反應(yīng)罐。作為補充，一部分污泥水進行內(nèi)部環(huán)流，產(chǎn)生流化效應(yīng)。也因為這一原因，這一處理工藝所需要的反應(yīng)器體積和相應(yīng)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(yīng)器內(nèi)鳥糞石結(jié)晶種基礎(chǔ)上形成。在流化床內(nèi)，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(yīng)器底部，此時MAP以產(chǎn)品形式排出裝置。這些MAP產(chǎn)品后續(xù)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(nèi)，然后與灰燼混合，初始漿液含水率在30 % 左右。于流化爐內(nèi)，溫度為大約 1000°C 下，熱處理混合物約20分鐘，此時重金屬轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的氯化物揮發(fā)，進入后續(xù)的化學(xué)洗氣塔洗脫，被分離取出的有害物質(zhì)被繼續(xù)進行處理處置。在新形成的固體物質(zhì)中，富集了干凈的高含量磷化合物質(zhì)，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(jīng)對污泥焚燒工藝進行了很多改進，同時也將這種技術(shù)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(zhì)熱點聯(lián)產(chǎn)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(qū)一般以暖氣為主，南方地區(qū)以“一身正氣”為主。取暖就免不了燃燒，近年來，華北地區(qū)冬季空氣質(zhì)量越發(fā)受到關(guān)注，這與大量化石燃料燃燒取暖也有一定的關(guān)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(zhì)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(xiàn)水中的低位熱能向高位熱能轉(zhuǎn)移的一種技術(shù)[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(zhuǎn)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(wěn)定、環(huán)保的熱源。

 

　　接下來讓我們來認識一下它

　　污水源熱泵的優(yōu)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(xiàn)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(zhì)的角度來看，香蕉皮沒有起到任何作用甚至成為了負擔(dān);但假如我們把香蕉皮拿去發(fā)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(xué)燃燒得到的熱量的利用效率。

　　如果只是實現(xiàn)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(shè)成本和經(jīng)濟效益也是需要考慮的方面。評價成本和經(jīng)濟效益的一個重要指標(biāo)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(jié)能的空調(diào)COP標(biāo)準(zhǔn)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(jù)國外學(xué)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(tǒng)模式(如燃煤等)減少約20%~30%[3]。

　　當(dāng)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(jīng)處理的生活污水中含有較多的雜質(zhì)，容易造成管道的腐蝕和堵塞，因此現(xiàn)在我國運用污水源熱泵的地區(qū)大多是污水處理廠或者污水處理廠周邊地區(qū);此外污水源熱泵設(shè)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(xiàn)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(guī)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(shè)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(guī)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(tǒng)、能量提升系統(tǒng)和能量釋放系統(tǒng)。

　　具有一定溫度的水被采集進入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中，水中的熱量傳遞給能量提升系統(tǒng)中的換熱介質(zhì)，換熱介質(zhì)由液態(tài)蒸發(fā)為氣態(tài);之后，氣態(tài)的換熱介質(zhì)經(jīng)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(tǒng)管道中的釋熱介質(zhì)(如水)，使其升溫，而換熱介質(zhì)重新凝結(jié)成液態(tài)。整個過程實現(xiàn)了低位熱能轉(zhuǎn)化為高位熱能，達到供熱的目的;當(dāng)需要制冷時，將蒸發(fā)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(xiàn)制冷供熱轉(zhuǎn)換，感興趣的讀者可自行查閱相關(guān)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(dāng)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(tǒng)污水處理廠二級處理的出水，首先經(jīng)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(dāng)中所有對人體有害物質(zhì)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(xué)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(yè)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(jié)果表明，再生水味道比自來水好一點，和商業(yè)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(jié)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(cè)面角度來看，頻發(fā)的“地陷”事故正是淡水資源匱乏的表現(xiàn)。淡水資源短缺導(dǎo)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?qū)⑸�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(qū)，形成的地下水漏斗導(dǎo)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(tài)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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