高品质沸石滤料生产厂家污水资源化的几个方向详解：磷回收、污水热源泵、再生水

　　高品质沸石滤料生产厂家污水资源化的几个方向详解：磷回收、污水热源泵、再生水

　　高品质沸石滤料厂家污水资源化的几个方向详解：磷回收、污水热源泵、再生水。

　　一、 污水资源化的重要性

　　2017年联合国水务发展报告以《污水：未开发的资源》为题，论证了污水资源化的需求。报告中指出，人类产生的污水有80%未被得到有效处理，而污水应该是一种资源而不是负担，污水资源化是需要被抓住的机会。同时在我国，淡水资源极为短缺，污水的再生利用是解决问题的重要手段。

　　二、 污水资源化的内容

　　污水资源化的内容主要有两个部分：

　　首先是污水的循环利用。水资源是污水中最为重要的资源，尤其是在我国淡水资源短缺的情况下，对污水进行深度处理使水质达标再利用是我国实现可持续发展的关键。

　　其次是污水中的物质和能量回收利用。污水中能够回收的物质包括有机物质、无机营养盐、其他物质(如重金属)等。

　　其中价值最高的是污水中有机物质的回收。王老师认为，污水中有机物质应遵循如图2的转化途径，污水中的有机物最终转化成类腐殖质由于肥田。王老师指出，现在我国农田正面临产量降低的问题，其主要原因就是过度种植导致土壤中的腐殖质大量消耗，而对秸秆等农副产品的处理导致有机物返回农田的途径被阻断使得腐殖质得不到补充。因此回收污水中的有机质，最后将其转化为类腐殖质进入农田是其价值最高的利用途径。

　　图2 污水中的有机物转化途径

　　对于无机营养盐(氮磷)，王老师认为相较于氮，磷具有更高的回收价值。原因在于氮具有完整的生物地球化学循环途径和循环通量，污水中的氮元素回收意义不大;而磷元素主要存在于液体和固体中，在自然界中的循环途径不完全、循环通量小。同时，王老师指出，污水中磷元素含量大，日本调查研究显示污水中流失的磷元素可占日本进口磷元素的20%~30%。磷元素的利用可以与有机物的回收相结合，随污泥进入农田中。

　　图3 自然界中的氮循环

　　图4 自然界中的磷循环

　　对于其余物质，王老师认为，以目前的技术水平和需求来看，并无太大的价值和意义。

　　污水中的能量回收利用主要有两个途径，其中目前广泛使用的途径是污泥厌氧硝化产气发电发热，实现有机物中的化学能以电能和热能方式回收。另一途径是利用不同季节污水和环境温度的温差，在冬天，污水的温度比环境温度高约10摄氏度左右，而在夏天，污水的温度比环境温度低约10摄氏度左右，籍此实现以污水为水源热泵的水源。

　　水源热泵：水源热泵机组工作原理就是在夏季将建筑物中的热量转移到水源中;在冬季，则从相对恒定温度的水源中提取能量，利用热泵原理通过空气或水作为载冷剂提升温度后送到建筑物中。通常水源热泵消耗1kW的能量，用户可以得到4kW以上的热量或者冷量。水源热泵克服了空气源热泵冬季室外换热器结霜的不足，而且运行可靠性和制热效率又高，近年来国内应用广泛。

　　图5 水源热泵冬季工作示意图

　　1、磷回收

　　磷，是组成生物的重要组成元素，是植物生长的重要营养素，是引起水体富营养化的“元凶”之一。

　　No.1 磷矿储量：“危机” or not ?

　　磷是农业肥料中的重要元素，其主要来源是磷矿石。如图，根据美国地质调查局统计，截止2019年，全球磷矿石探明储量约为690亿吨，2019年磷矿开采量约为2400万吨，按照这个趋势，已探明的磷矿石储量大概能够满足300年的使用量。

　　图1 世界磷矿开采量和储量(单位：千吨)| 美国地质调查局

　　关于人类是否马上面临磷危机，学界存在两种不同的观点。例如IFDC(International Fertilizer Development Center，国际肥料发展中心)的地质学家Van Kauwenbergh[1]认为，全球磷矿储量利用寿命大于300年，资源利用寿命大于1400年，并且随着新矿床的发现，世界不会立即面临磷危机;而我国知名学者郝晓地教授[2]在他的著作《磷危机概观与磷回收技术》中指出，地球上经济可开采的无杂质磷矿仅够人类使用不足50年，磷危机迫在眉睫。

　　但是一个基本事实是，磷矿是一种不可再生资源。与另一种重要的营养素氮相比，磷在自然界中的循环极为“单调”：由于磷的易流失性，陆地上很大一部分磷都会由径流进入湖泊和海洋;在海洋中，磷元素随着生物遗体和粪便沉淀进入海洋沉积物中。不像氮元素一样，磷元素很难挥发成气体，就无法进入随大气循环和迁移。因此除了鸟捕捞海鱼，然后通过鸟粪的形式将磷元素带到陆地上之外，磷元素几乎没有其他大量从海洋转移到陆地的途径。对于海底的磷，只有发生沧海桑田的变化才能让这部分磷“重见天日”。

　　图2 自然界中的磷循环| 人与生态网

　　因为磷的特殊性，陆地上的磷矿只会越用越少。笔者认为，即使现在磷矿资源尚充足，如果不能找到有效的替代方案，人类终将面对“磷危机”。目前来看，从污水中回收磷元素是一个很好的选择。

　　No.2 污水中磷回收的技术和运用

　　笔者将在本文中介绍自己感兴趣的三种技术，分别是鸟粪石沉淀技术、污泥焚烧灰烬回收技术、源分离技术。

　　鸟粪石沉淀技术

　　鸟粪石是由鸟兽积粪和遗体堆积形成的矿石，其主要成分是Mg(NH4)[PO4]·6H2O;鸟粪石可以直接作为一种缓释肥料使用[3]。通过投加化学试剂，使污水中的氨和磷酸盐沉淀生成鸟粪石，这就是鸟粪石沉淀法。

　　图3 鸟粪石

　　加拿大的Ostara公司是一家专门帮助污水厂实现营养物质回收和资源的产品化的公司。针对磷回收方面，他们的Pearl工艺可谓是一枝独秀，据说这种工艺可以实现污水中高达85%的磷去除率，还能减少污泥脱水消化液中40%的氨氮负荷(详细工艺介绍见附录)。同时，Ostara公司还推出了由Pearl工艺生成的鸟粪石衍生的Crystal Green®磷肥。这种磷肥可以在植物根部长期稳定地释放氮磷镁元素，同时能够防止雨水冲刷等造成的流失。目前此工艺已被运用于世界上最大的污水处理厂——美国芝加哥Stickney污水处理厂，在北美和欧洲有广泛的运用。

　　污泥焚烧灰烬磷回收技术

　　现有的污水处理厂主要的除磷措施就是采用A2/O工艺，活性污泥中的聚磷菌在厌氧区释放磷，在好氧区吸收磷，最后污水中的大部分磷都被富集到活性污泥中，实现污水除磷。因此污泥中的磷含量是十分高的。通过焚烧处理，污泥中的细菌、臭味物质和有害有机物质几乎被完全摧毁，而磷则以无机盐的形式留存在灰烬中。将灰烬加工后，可作为磷肥使用，这种方法的磷回收率可以达到90%以上。

　　奥地利的ASH DEC Umwelt AG公司的ASHDEC-灰烬磷回收工艺(下简称ASH工艺)实现了污泥焚烧灰烬的磷回收，该方法被运用于德国联邦材料研究所(BAM)发起的SUSAN计划中，该计划致力于利用热处理从污水污泥中回收养分(详细工艺介绍见附录)。ASH工艺可以去除灰烬中的重金属，并将灰烬中的磷酸盐转化成能够被植物吸收利用的形式。最后得到的产品是该公司生产的PhosKraft®多营养灰肥，该肥料处理成本低，与从磷矿炼制的磷肥成本差不多，是一种经济的磷回收手段。目前该工艺专利已被芬兰的奥图泰(OUTOTEC)公司收购。[5,

　　源分离技术

　　源分离指的是从源头上分离污染物。对于磷来说，尿液是生活污水中磷的主要来源，其中的磷含量占生活污水中总磷的50%左右，而尿液的体积仅有2%左右。直接从尿液中回收磷元素主要有以下几个好处：①尿液成分单一，进行回收效率较高;②相较于生活污水，尿液中不含重金属，分离得到的磷不用处理重金属;③回收磷的同时还可以同时回收尿液中的氮和钾等营养素;④在源头分离后，生活污水中的氮磷浓度下降，减轻污水处理厂处理负荷。[9]

　　早在20世纪90年代，德国研究机构就提出了“生态卫生系统(ECOSAN ，Ecological Sanitary System)”的概念，其主张以家庭为基本控制点，将尿液、粪便以及其他生活污水分类收集处理，并实现水和营养物质的回收。目前ECOSAN系统已广泛运用于欧洲地区的分散式家庭污染控制与资源化。

　　No.3 欧盟的磷回收政策

　　欧洲的磷元素十分匮乏，根据美国地质调查局的统计，磷元素丰富的欧洲国家只有芬兰(见图1)。

　　因此欧盟在2018年新修订的《化肥管理条例》中，正式提出以回收磷制取磷肥的标准，满足标准的回收物可作为产品流通。新版《条例》实施后，可以代替30%的磷矿石，其进口量可以减少6百万吨。

　　欧盟各国的磷回收形势一片火热。从污水磷回收这个方面看，荷兰在2008年就勾勒好了污水处理厂作为营养物回收工厂的蓝图;瑞士于2016年1月1日开始实行从污水/污泥中强制回收磷并建立磷元素的封闭循环系统;苏格兰出台了“零废物苏格兰计划”，磷是计划中的首位关键循环物;法国政府建立了“磷回收网络系统”，用以调度磷回收和其产业化发展;德国环境部出台了《污泥条例改革修正案》，剑指回收污泥中的磷。

　　总体来看，欧盟及各国制定的一系列政策和规划对我国未来的污水磷回收除了有技术上的帮助外，推动污水资源回收的政策、创新绿色的思想也对为我国未来的污水处理起到了导向和借鉴的作用。

　　No.4 总结

　　总而言之，从污水中回收磷是一件必要的事。现在我国或许并不需要像欧洲一样大张旗鼓地从各种废物中抢夺磷，但是，鉴于磷是一种不可再生的资源，未雨绸缪可能会好一些，更何况我们已经有了很多可以借鉴的例子。但存颗粒磷，留与子孙用。

　　附录

　　Pearl工艺[4]

　　Pearl工艺主要用于直接对污泥水进行磷回收。在一个流化床反应器内，通过投加氯化镁和氢氧化钠(反应器内pH值被调节设置在7.2和8.0之间)，可在反应器内沉淀形成MAP。被处理的污泥水从下向上穿流反应罐。作为补充，一部分污泥水进行内部环流，产生流化效应。也因为这一原因，这一处理工艺所需要的反应器体积和相应投资费用就变得很大。

　　MAP的长晶，或者说MAP圆形大颗粒的形成是在反应器内鸟粪石结晶种基础上形成。在流化床内，晶种始终不断地与新沉淀的MAP相接触，并逐渐变大。直到晶体直径长大至6 mm时，因为颗粒本身重量原因下沉至反应器底部，此时MAP以产品形式排出装置。这些MAP产品后续还必须进行干燥处理

　　图6 Pear

　　ASHDEC-灰烬磷回收工艺：

　　首先将氯化钙(CaCl2) 和/或氯化镁(MgCl2) 投加至含磷污泥灰烬中，投加碳酸氢钠 (NaHCO3)。这些添加剂先溶于蒸馏水内，然后与灰烬混合，初始浆液含水率在30 % 左右。于流化炉内，温度为大约 1000°C 下，热处理混合物约20分钟，此时重金属转化成相应的氯化物挥发，进入后续的化学洗气塔洗脱，被分离取出的有害物质被继续进行处理处置。在新形成的固体物质中，富集了干净的高含量磷化合物质，通过处理植物的吸收利用性能也明显提高[5]。目前OUTOTEC公司已经对污泥焚烧工艺进行了很多改进，同时也将这种技术运用到很多地方，如瑞士苏黎世韦德霍兹利污泥焚烧厂、土耳其EREN Corlu生物质热点联产厂等[12]。

　　苏黎世州污泥焚烧工艺| OUTOTEC

　　2、污水热源泵

　　冬天取暖却是一个永恒的话题。我国北方城市地区一般以暖气为主，南方地区以“一身正气”为主。取暖就免不了燃烧，近年来，华北地区冬季空气质量越发受到关注，这与大量化石燃料燃烧取暖也有一定的关系。如果有一种新的热源可以代替一部分燃料供热，这个问题可能会缓解。

　　北京雾霾

　　接下来就是见证奇迹的时刻

　　污水源热泵——一个好玩的东东

　　污水源热泵本质上是水源热泵的一种。水源热泵采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，实现水中的低位热能向高位热能转移的一种技术[1] 。通俗地说，我们使用压缩机等电机将温度较低的水中的热量收集起来，并把这些热量转移到更少量的水中，获得高温的水进行供热。污水源热泵中使用的水源是污水。在冬季，生活污水的温度往往比气温高，如果能够把这些热量利用起来，生活污水将是一个稳定、环保的热源。

 

　　接下来让我们来认识一下它

　　污水源热泵的优点与局限性

　　笔者看来，污水源热泵的最亮眼的地方在于它实现了能量的多级利用。什么是能量的多级利用?举个简单的例子，我们吃的香蕉只吃香蕉肉而丢弃香蕉皮被丢弃，从物质的角度来看，香蕉皮没有起到任何作用甚至成为了负担;但假如我们把香蕉皮拿去发酵做肥料，那么香蕉皮就被好好利用了。暖气让屋子暖和起来的热量好比是香蕉肉，污水中的热量就好比是香蕉皮，如果我们不能找到利用它的途径，那么这些能量的最终归宿就是白白耗散。污水源热泵可以把这部分热量利用起来，这样一来，我们就增大了燃烧化学燃烧得到的热量的利用效率。

　　如果只是实现了能量的更大率就把污水源热泵运用到生活中，这个理由是不充分的，建设成本和经济效益也是需要考虑的方面。评价成本和经济效益的一个重要指标就是能效比(COP)，能效比指的是消耗单位电能得到的热能，举个例子来说，一级节能的空调COP标准为大于等于3.4，那么消耗一度电能够得到3.4千瓦时的热，大约够把72瓶20摄氏度的500mL矿泉水烧开。根据国外学者Hepbasli[2] 的研究，污水源热泵的理论COP最高可达10.60。直观地说，得到相同的热量，污水源热泵所消耗的能量比传统模式(如燃煤等)减少约20%~30%[3]。

　　当然，污水源热泵还存在这一些局限，使得目前在我国无法广泛运用。未经处理的生活污水中含有较多的杂质，容易造成管道的腐蚀和堵塞，因此现在我国运用污水源热泵的地区大多是污水处理厂或者污水处理厂周边地区;此外污水源热泵设备的初始投资较高，需要更长的时间才能得到正收益。

　　腐蚀的管道

　　污水源泵的运用现状

　　日本是运用污水源热泵较早的国家之一，在日本，污水厂不仅污水处理厂，也是热源厂，在日本有70%以上的生活污水中的热得到了有效地利用;而在我国，污水源热泵的运用起步较晚，目前还未大规模运用，主要在污水处理厂和某些高校实验楼得到运用。一个好消息是，哈尔滨今年拟建设16座污水源热泵站 折合供热总面积达2762.5万平方米[4]。

　　期待我们能够大规模使用污水热源的一天，到那个时候，北方的天可能会更蓝一些。

　　附录：

　　水源热泵工作原理简介[5]：

　　水源热泵可以分为三个部分：热量采集系统、能量提升系统和能量释放系统。

　　具有一定温度的水被采集进入蒸发器，在蒸发器中，水中的热量传递给能量提升系统中的换热介质，换热介质由液态蒸发为气态;之后，气态的换热介质经压缩机压缩成为高温高压的气体，在冷凝器中，把热量传递给能量释放系统管道中的释热介质(如水)，使其升温，而换热介质重新凝结成液态。整个过程实现了低位热能转化为高位热能，达到供热的目的;当需要制冷时，将蒸发器和冷凝器的位置交换即可。目前使用较多的是更为方便的三通阀实现制冷供热转换，感兴趣的读者可自行查阅相关资料，这里不再赘述。

　　水源热泵工作原理

　　3、再生水

　　从污水处理厂中来的饮用水

　　我们大家都知道

　　水是我们生活的必需品。这是一杯生活中很常见的水

　　当你口渴难耐的时候，相信你会毫不犹豫的一口喝下

 

　　那么问题来了，如果这是一杯来自城市污水处理厂的再生引用水，你还能心安理得地喝下去吗?

　　请看下图

　　污水处理厂中的水

　　我就知道你会拒绝，那么听完这些理由之后呢?

　　首先，再生饮用水是绝对安全的。以新加坡的再生饮用水NEWater处理流程为例，传统污水处理厂二级处理的出水，首先经过精细格栅过滤，在进入微滤或者超滤工艺单元，去除细颗粒物后，进入反渗透工艺单元，去除细菌、病毒以及大部分溶解盐。

　　反渗透出水进行紫外消毒，最终净化为“NEWater”，这个流程和瓶装饮用水的处理流程几乎一致。简而言之，再生饮用水是去除了污水当中所有对人体有害物质而来的纯净水。

　　新加坡NEWater处理流程图

　　其次

　　再生饮用水口感和普通饮用水几乎一致。加州大学的一个研究小组在2018年进行了一项盲品测试，参与者品尝再生饮用水、自来水和商业瓶装水(事先未知)之后，告诉研究人员几种水的味道如何。

　　研究结果表明，再生水味道比自来水好一点，和商业瓶装水差不多，这可能是因为二者的制备工艺差不多。也就是说，喝再生水和矿泉水是完全一样的体验，不会有什么不同

 

　　最后，也是最重要的一点，我国淡水资源严重匮乏。我们从小就被灌输节约用水的概念，说到缺水，很多人都只有一个抽象的概念，比如我国人均水资源占有量2200立方米排名世界第121位。从一个侧面角度来看，频发的“地陷”事故正是淡水资源匮乏的表现。淡水资源短缺导致超额抽取地下水，使得城市下方形成巨大的地下水漏斗，承压地下水水位下降，引起地面塌陷和地面沉降等。如果我们能够将生活污水严格处理后再利用，水资源短缺问题也就能得到缓解。

　　深圳市“地陷” | 中新闻

　　什么?

　　听完这些你还是觉得不太能接受再生水?

　　好吧，其实我也能理解

　　因为一说到再生饮用水，很多人的第一印象是这样的：

　　污水再生饮用水 | 图源MinuteEarth

　　MinuteEarth在他们的视频Would You Drink Water From Sewage 中分析了人们的心理，人们会本能地抗拒哪怕遭受轻微污染的食物，这可能是人类进化而来的本能，因为这样能让我们避免吃下可能让我们中毒的脏东西[2]。

　　让我们来看看国外是怎么处理这个问题的。

　　新加坡是世界上淡水资源最匮乏的国家之一，80%以上的淡水资源依靠马来西亚进口。这也促使新加坡将生活污水回收利用。为了让大众放心饮用再生水，新加坡政府将再生水命名为NEWater，吴作栋总理更是在2002年的37周年国庆上第一个饮用NEWater，宣布新加坡人日后的饮用水将是NEWater和自来水的混合水，这些举措使得新加坡居民对污水再生不再排斥。

 

　　美国加州橙县是地下水超采严重地区，形成的地下水漏斗导致了海水入侵等严重问题。1975年，橙县水管局建造了“21世纪水厂”，这是世界上第一个采用膜处理的再生水厂。他们将处理后的再生水用于回灌地下水，达到间接饮用的目的，成为目前世界上最大的再生水间接用于饮用水和生态补给的污水净化项目，因此也获得了2014年的“李光耀水奖”[4]。

 

　　● 我们相信

　　相信在不远的将来，我们很快就能够品尝到“新生水”了。

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