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污水处理中污染物的回收利用

发布时间:2017-04-01 15:50:51
废水中的价值
 
生活污水中有我们日常生活产生的各种废弃物,粪便、脂肪、食物残渣、洗涤剂和药物。在化学方面,1立方米的生活废水含有300~600g COD,40~60g氮(以铵和有机化合物的形式),5~20g磷(磷酸盐和有机化合物),10~20g硫(主要是硫酸盐)和痕量的重金属离子。
 
在过去的一个世纪,大部分生活废水都使用好氧的“活性污泥法”进行处理,在氧气和细菌的共同作用下,氧化污染物,这种方法简单,对除去有机化合物、氮和磷有效。但活性污泥法消耗巨大的能源,并释放碳足迹。一个10万吨/天的中型的污水处理厂消耗的电力与中国城镇5000人(每立方米废水约0.6KWh)相当,并且每天的碳足迹相当于6000辆家用汽车的二氧化碳排放量。
 
最关键的是,废水中有机物所含的能量被大量浪费,氮和磷都是制造肥料的原材料。通过加入钙、铁或铝盐沉淀,90%的磷最终掩埋在填埋场中,这种沉淀物不能被植物吸收,并且经常还受到有毒金属污染。同样,超过80%的氮通过微生物转化为氮气而损失。该过程还产生大量的“湿污泥”(5~10千克每立方米处理水)。干燥和处置(在陆地或填埋场)或焚烧这些污泥占处理设施总成本的30~50%。
 
一些污水厂对污泥进行厌氧消化。在缺氧的情况下,微生物将复杂的有机物质分解成更简单的有机分子,然后将其转化为甲烷。通过燃烧甲烷以产生电和热,厌氧消化可抵消活性污泥法20~30%的能量和温室气体成本。但消化过程缓慢,通常需要10~20天。
 
新兴工艺的发展
 
将厌氧工艺直接应用于生活废水可以完全逆转这些成本,甚至产生过量的能量,但是目前在环境温度和低浓度的有机物下,厌氧工艺是不适用的。两种新技术正在尝试进行这方面的突破。第一种技术是厌氧膜生物反应器(AnMBR)。它使用多孔膜来滞留和浓缩固体(包括颗粒有机物质和产生甲烷气体的缓慢生长的微生物)和污水中90%以上的溶解有机物。通过延长材料的降解时间,每立方米污水可产生25~100%的甲烷。然后,可以通过气体或真空技术对90%以上的溶解态甲烷进行提取(浓度为10~20毫克/升),整个过程的耗能仅需要0.05KWh/m3。
 
AnMBR技术已在几个案例中成功用于生活污水处理。韩国富川污水处理厂已经运行了2年多,日处理量为12立方米。将AnMBR技术进行大规模工程化应用的最大挑战是“膜堵塞”或“膜污染”。使用气泡或流化颗粒活性炭冲洗膜表面,需要耗能0.2~0.6KWh/m3,基本与活性污泥法的能耗相当。
 
第二种技术是微生物电化学电池(MXC),其以微生物燃料电池的模式直接产生电力,或者在微生物电解电池中产生富含能量的化学物质,例如氢气。MXCs利用一些细菌的能力,当它们代谢有机物质时,通过其细胞膜将电子转移到外部的受体。如果传递到燃料电池的阳极,则电子可以传递电流。
 
MXC的产品——电或氢气——比甲烷更有价值,并且易于使用。但所涉及的反应过程缓慢(需要几天)。一个提议是将MXC与AnMBR集成,以加速有机物质的转化,同时产生甲烷和电或氢。
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