面向污水资源极尽利用的污水精炼技术与模式探讨

胡洪营，吴光学，吴乾元，管运涛，李欢，陶益

1.清华大学环境学院，环境模拟与污染控制国家联合重点实验室，国家环境保护环境微生物利用与安全控制重点实验室，北京 100084

2.清华大学深圳研究生院，深圳市环境微生物利用与安全控制重点实验室，广东 深圳 518055

目前的城镇污水处理系统多采用活性污泥法等好氧生物处理工艺实现水质净化，其主要目的是通过去除水中的污染物来控制水环境污染，因此被称之为“处理工艺/系统”。虽然现行的污水处理技术和工艺为水污染控制做出了重要贡献，但是，从全球环境视野和资源能源视角来看，其通过消耗大量的化学药品和能源，将污水中的有机物转化成CO2和污泥，是一个高投入(化学品和能源消耗大)、高产污(产生大量污泥和CO2等)和低效率(总氮去除率低、水质安全未受重视)的系统。从某种意义上讲，目前的污水处理系统是以能源消耗和污染转嫁为代价的［1］。随着水资源日益短缺和能源危机的加剧，为实现城镇水系统的持续发展，急需创新污水治理理念，发展新型污水系统。

在未来的污水系统中，关注点不应仅局限于污染物去除和水质保障，而应将污水处理与以污水为原料的生产过程相耦合，在处理污水的同时，获取资源和能源。因此，需要转变目前的污水处理理念，实现污水系统从“处理工艺”向“能源自立资源输出型生产工艺”的转化。这种新理念对污水处理技术与工艺研究提出了新的更高要求，也必将带来污水处理技术、工艺和系统的变革［2-3］。

近年来，越来越多的专家学者开始探讨支撑未来城镇水系统可持续发展的污水管理模式［4-6］。A.R. Sheik 等［7］基于现有活性污泥工艺，提出了“污水生物精炼体系(wastewater bio-refinery column)”的概念，采用生物调控模式实现处理过程中的能源与资源回收利用。曲久辉等［6］提出了“建设面向未来的中国污水处理厂”的新思维，并指出，在现行法规标准之上探索未来水质标准，筛选节能降耗技术工艺，提出资源能源开发对策，实现污水资源能源化利用。

基于需求分析，提出了面向污水资源(wastewater resource)极尽利用的“污水精炼(wastewater refining)”新理念，并剖析了实现污水精炼的关键技术和可能的技术途径。

1 污水资源的潜在利用价值

目前，人们还是习惯于把污水视为污染物，忽视了污水本身的内在价值。针对污水所含组分进行分析(图1)可以看出，污水是水、有机质和无机营养成分等有价值物质的混合物。以污水为原料可以生产优质再生水、氮磷等化学品、生物质能等有价值产品和能源。

图1 污水资源潜在利用途径分析Fig.1 Analysis of the potential utilization pathway for wastewater resource

污水中的“水”是首先应该利用的最主要资源。通过再生系统，污水可以转化成能够有益利用的再生水。目前，再生水已被广泛应用于农业灌溉、城市杂用、地表水补给(景观利用)、地下水补给、工业利用等诸多方面。美国在20 世纪60年代就提出了21 世纪水厂的概念，并在部分地区实现了污水处理后直接饮用回用［4］。美国科学院在2012年发布的《城市污水提高城市供水能力》(Potential for Expanding the National Water Supply through Reuse of Municipal Wastewater)报告中指出:“扩大城市污水再生利用规模，可以显著增加国家的可利用水资源总量，有利于农业灌溉和工业利用以及增加饮用水供给”［8］。新加坡提出了“新水”的概念并实现了城市污水的饮用回用［4］。

再生水利用的关键是水质安全保障。污水中存在多种多样的病原微生物、有毒有害化学污染物、致色致嗅物质、溶解性有机物、无机盐以及氮磷等营养物质，其对再生水安全利用带来的威胁不容忽视［1］。再生水的潜在生态和健康风险与风险因子识别、污水再生处理与再生水安全保障关键技术和新工艺等方面的研究成为国内外水环境与水资源领域的研究热点和前沿。美国政府专门设立了支持和促进污水再生利用研究的“水回用研究基金(Water Reuse Research Foundation)”，资助污水再生处理、水循环利用、脱盐理论与技术等方面的研究。

污水中有机物的主要利用方式为能源化，其关键是实现定向、高效和规模化转化。厌氧发酵是目前可以在生产规模上实现有机物转化为甲烷等能源物质的唯一可行技术。利用异养微藻将有机质转化成生物柴油、利用微生物燃料将有机质转化成电能等基础研究备受关注，但这些技术应用于工程实践还有十分漫长的道路要走。

污水中无机物的利用主要是氮磷等植物营养元素的回收。针对高氨氮和高磷酸盐污水(如厌氧消化液等)，采用化学沉淀等方法回收氮磷，可以作为肥料使用［9］。目前，德国、日本、加拿大等国家逐渐有中试和实际规模的氮磷回收工艺和示范。

利用污水中的氮磷等营养元素培养能源微藻，可以同时实现水质净化，二氧化碳吸收固定和微藻生物质能源(或生物柴油)生产，可谓“一石三鸟”，成为环境和能源领域新的研究热点［2-3］。

2 污水精炼的基本理念

基于以上分析和污水处理技术发展趋势，提出了污水精炼(wastewater refining，wRefine)的新理念(图2)。

图2 污水精炼的概念及其关键环节Fig.2 The concept and its key processes of wastewater refining

污水精炼的核心理念是将污水视为资源，改变以污染物分解和去除为基础的现有处理技术原理，通过精细化筛分和高效定向增值转化，实现污水资源(水、有机质、有价值无机盐)的安全、高效和极尽利用，支撑城市水循环系统的可持续发展。污水精炼的目标是通过污水中有价值资源和能源的极尽利用，最大限度地实现污水系统的“能源自立、资源输出”，其前提是安全、高效。

基于以上理念，建议将污水处理技术和工艺(wastewater treatment technology/process)改称污水精炼技术和工艺(wastewater refining technology/process)，或污水转化技术和工艺(wastewater conversion technology/process)，以助力污水系统的变革。

污水精炼的关键环节包括有机物和有价值无机物的精细筛分(如AB 法、混凝、气浮、膜分离;磷的分离等)、高效定向增值转化(如有机物能源转化、热化学转化、生物燃料电池;能源微藻生物质与油脂转化等)和安全利用(主要为再生水利用的风险识别、控制和管理)。综合利用和集成以上关键技术，有望实现污水精炼目标，促进污水的资源化和能源化利用。

3 污水精炼技术途径

基于污水精炼的理念，针对不同的情景和应用目标，提出2 种典型的污水精炼技术模式，即污水精炼生态模式(wRefine-E)和污水精炼高端模式(wRefine-S)。但是，在实施过程中，这2 种模式中的关键技术可以根据具体情况进行集成、组合，形成不同的工艺。

3.1 污水精炼生态模式

污水精炼生态模式(wRefine-E)的关键技术主要包括污水直接厌氧转化、生物过滤/藻类生物质培养和人工湿地等(图3)。

图3 污水精炼生态模式技术路线Fig.3 The technology roadmap of the ecological mode of wastewater refining

污水中的有机物通过直接厌氧发酵转化为生物燃气，进行回收和能源利用。由于城镇污水的有机质浓度较低，为了提高厌氧发酵效率，厌氧膜-生物反应器有望发挥优势。

直接厌氧发酵可以将污水中的有机质转化成甲烷等能源物质，但不能有效去除污水中的氮磷等无机组分。城市污水直接厌氧发酵后的水质是典型的低碳高氮磷污水(表1)，如何将其转化为再生水和回收有价值的无机盐是实现污水资源极尽利用的又一关键。

表1 城市污水直接厌氧发酵后的水质Table 1 The water quality after direct anaerobic fermentation of municipal wastewater mg/L

低碳高氮磷污水的有效处理是重点和难点。对于低碳高氮磷污水的净化和再生，可以采用短程硝化和厌氧氨氧化除氮［13］、吸附除磷［14］等技术来实现。但是，短程硝化-厌氧氨氧化仍然是把氮从污水中去除，而不是利用，且不能去除磷。氮磷等有价值无机盐的直接回收也是值得考虑的技术途径。直接回收磷在技术上较易实现，但难以实现氮的回收利用。

为同时实现厌氧发酵后污水中氮磷等营养盐的有效利用，笔者提出利用该类污水培养能源微藻的途径。微藻生长过程中能够同时吸收污水中的氮磷并固定二氧化碳，在实现水质净化的同时，可以生产微藻生物质/生物柴油等。获得的微藻生物质也可进入厌氧转化单元，用于生产甲烷等能源物质。由于微藻生长过程中固定了二氧化碳，相当于向本系统输入了额外的能源，从而提高了本系统的能源生产效率。对于该类污水中含有的无利用价值的低浓度有机质，可以考虑在微藻培养单元之前设置生物过滤预处理单元进行去除，以保障再生水水质安全。

经过微藻处理后的污水，消毒后可以回用，也可以通过人工湿地进一步深度处理后，回用于地表水体，作为景观和生态用水等。

3.2 污水精炼高端模式

污水精炼高端模式(wRefine-S)的关键技术主要包括有机质分离富集、厌氧发酵、生物过滤/藻类生物质培养、高级氧化、低耗长效双膜- 反渗透(MF/UF-RO)工艺等(图4)。

首先利用混凝过滤、气浮或吸附等技术，分离富集污水中的有机质，之后通过厌氧发酵将富集回收的有机质转化为生物燃气。浓缩后的有机质可以采用高固体厌氧发酵技术，以提高反应效率。

根据分离技术的不同，污水中有机质的70% ～80%可以得到分离富集。有机质分离富集后的污水，也是典型的低碳高氮磷污水，仍然可以采用能源微藻生物质培养技术进行进一步转化、利用。有机质分离技术和后续再生技术的选用，应统筹考虑，以实现整体效率最大化。

图4 污水精炼高端模式技术路线Fig.4 The technology roadmap of the high-end mode of wastewater refining

对于厌氧发酵上清液和RO 浓缩液，因其主要含有氮磷等无机组分，仍可采用能源微藻生物质培养技术进行进一步转化、利用。

对于去除大部分有机质和氮磷的污水，可以利用高级氧化处理，生产再生水。也可以利用低耗长效MF/UF-RO 工艺进行深度处理，生产优质再生水。再生水可回用于锅炉、超纯水制备等高端用途。

3.3 污水精炼关键技术

如上所述，污水精炼关键技术(wastewater refining technology)主要包括有机质分离富集、厌氧消化、短程硝化-厌氧氨氧化、生物过滤、微藻生物质培养、高级氧化、微滤/纳滤-反渗透过滤技术等。下面重点介绍几种关键技术。

3.3.1 有机质分离富集技术

城市污水COD 一般在250 ～800 mg/L。当COD小于2 000 mg/L 时，厌氧处理效率相对较低。因此，首先将原污水中有机质进行富集，以提高后续厌氧反应的效率。

污水中有机颗粒大小分布表明，63% ～70%的总有机碳颗粒直径大于0.1 μm［15］。有机质分离富集技术包括直接过滤、混凝-膜处理技术、AB 活性污泥工艺等［5，16-18］。

膜直接过滤法(DMF)能够有效截留污水中的颗粒态及胶体物质，但其最大难题是膜污染问题。S. K. Lateef 等［17］结合微滤膜和DMF 回收污水中有机物，通过增强反冲洗作用，可有效增加膜通量并强化膜污染中有机物的去除。Ma J. 等［18］报道，上流式动态膜分离(DMS)工艺对低浓度城市污水中有机物的回收，运行300 d 后，有机质的平均回收率在膜通量为60 L/(m2·h)时达到81.6%。混凝-膜处理技术可以缓解膜污染。唐霁菲等［19］采用聚合硫酸铁混凝与动态膜组合工艺分离污水中有机质，溶解性有机质去除率达到85.9%。

3.3.2 厌氧消化技术

厌氧消化是促进有机质向能源转化的成熟方法，包括产甲烷、产氢、产乙醇等多种技术途径。从wRefine 系统中收集的有机物或培养的生物质看，发酵产甲烷是更加适合的途径，其碳源利用率和能量回收率相对更高，系统稳定，甲烷的储存、输送和利用都相对方便，而且产生的二氧化碳还可以回用于藻类培养。

为了提高有机质，特别是藻类生物质的厌氧消化转化效率，可以对其进行预处理，以破坏絮体和胞壁结构，促进内含有机质的溶出。预处理方法中，碱处理、热处理、超声处理和微波处理等都是效率较高、成本较低且相对成熟的生物质预处理方法。高固体浓度消化也是厌氧消化的发展方向［20］。

通过大幅提高有机质浓度，可以降低消化罐内大量水分维持中温或高温的能耗，显著提高容积产气率［21-22］，从而提高沼气产量，同时，消化罐体积的缩小也有助于节约占地。

3.3.3 微藻生物质培养技术

藻类在生长过程中可从水中大量吸收氮磷，利用这一特性能够实现高效脱氮除磷。早在1957年，W.J. Oswald 等［23］就已提出利用藻类处理污水的概念，高效藻类塘技术经过几十年的研究发展已经相对成熟。然而，在传统的高效藻类塘中，藻类往往与大量细菌共生，所得的生物质转化难度大，利用价值不高。同时，高效藻类塘还存在占地面积过大等问题。在新型的wRefine 系统中，藻类生物质培养将利用既能高效吸收氮磷又能大量积累油脂等能源物质的优良藻种，从而实现脱氮除磷和能源生产的双重目的。为了实现该目标，有必要对优良藻种进行筛选。

胡洪营等［2］提出了“污水深度脱氮除磷与微藻生物质能源生产耦合工艺”，并分离得到在污水中生长速度快、脱氮除磷强、油脂含量高的藻种，其对氮磷的去除率高达90%以上，同时油脂含量可达到30%以上［24］。Zhang T. Y.等从生活污水中筛选得到了能够在完全黑暗条件下良好生长，并降解污水中有机物的混合营养型微藻栅藻ZTY2、栅藻ZTY3以及小球藻ZTY4［25］。由于混合营养型微藻能够在黑暗条件下生长，其培养系统不受光照强度的限制，因此，可以采用较深的塘深从而大大减少占地面积。

3.3.4 低耗长效MF/UF－RO 组合工艺

低耗长效MF/UF-RO 组合工艺，常称为双膜过滤工艺，在污水再生处理领域正逐渐得到广泛应用［26］。该技术具有脱盐率高，有机物、氮、磷去除率高，产水水质稳定，自动化程度高等优势［27］，生产的优质再生水可以回用于高端工业企业，一方面减少对饮用水的需求，节约水资源，另一方面将污水资源化，促进水资源的循环利用。

目前，国内已建有多个区域性集中供应优质再生水的污水回用工程，以城市污水处理厂二级出水为水源，以双膜过滤工艺为主体进行深度处理，产生了较好的环境效益和经济效益［28］。但同时，双膜过滤工艺应用于污水回用领域也面临着诸多技术挑战。二级出水中含有大量的溶解性微生物代谢产物，这些物质易造成RO 膜的有机污染和生物污染。

RO 浓缩液中含有多种有毒有害污染物，这些污染物来源于双膜工艺进水以及双膜工艺中使用的添加剂，若处理不当将存在潜在风险。为了降低膜污染，控制RO 浓缩液潜在风险，根据进水水质选择合理的双膜过滤工艺预处理方法，开发RO 浓缩液处理技术是保障工艺正常运行的关键［29］。

4 总结与展望

污水资源的高效利用是未来的发展方向，污水精炼理念和技术将在实现污水资源极尽利用过程中发挥重要作用。污水中的“水”是应首先利用的最主要资源，再生水安全高效利用将是污水资源极尽利用的重要推动力。污水中有机质的能源转化是实现污水系统能源自立的关键，有价值无机物回收和利用是提升污水资源价值的重要途径，污水再生与资源能源转化耦合是未来的必然发展方向。

污水资源化利用需要综合考虑环境、经济和社会影响，尤其是获得产业和社会认可，以推动其实施。需要建立基于生命周期评价的污水资源化模式和途径的分析，以因地制宜地建立相应的处理和回收模式及其途径。

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