溫室氣體減排

由于人類活動(dòng)的頻繁加劇，比如使用化工原料、工農(nóng)業(yè)活動(dòng)等，導(dǎo)致CO2, CH4和N2O等溫室氣體在大氣濃度中所占的比例越來越大。為了比較不同氣體所帶來的影響，各種氣體的“全球變暖因子”(GWPs)都將以CO2作為標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行評(píng)估。二氧化碳(CO2)的 GWF 值設(shè)為 1，其他氣體的 GWF 值就表明其相對(duì)于 CO2的效力大小。以100年為范圍，CO2, CH4 和N2O 的GWPs分別為1、21 and 310。

污水處理過程也會(huì)產(chǎn)生溫室氣體，比如好氧處理產(chǎn)生的CO2或者外加碳源中的CO2，厭氧處理產(chǎn)生的CH4，氮循環(huán)產(chǎn)生的N2O。

1、二氧化碳(CO2)

污水處理中由于碳?xì)浠�合物的礦化作用，所以不可避免的會(huì)產(chǎn)生CO2。因?yàn)檫@些碳?xì)浠�合物主要來自食物�?dāng)中，而不是石化類碳?xì)浠�合物，所以其產(chǎn)生的CO2并不會(huì)帶來什么影響，而真正需要考慮的是釋放CO2所需要消耗的能量問題。在德國，平均每釋放570gCO2到大氣中需要消耗1KWh的電能。這個(gè)數(shù)字是基于不同種原料混合計(jì)算的平均值，這些原料包括石化燃料、核能、水能、太陽能、沼氣等，并且也隨著時(shí)間的變化而發(fā)生變化。污水處理的全年電耗為35KWh/PE，也就是說這么多電耗可以將20kg/PE×y的CO2排放至大氣，其中來自沼氣的10kg/PE×yCO2可以削減掉，那么將只剩下10kg/PE×y的CO2殘余，通過之前所述的工藝優(yōu)化以及產(chǎn)能補(bǔ)充，這10kg/PE×y CO2也可能完全降為0。

2、甲烷(CH4)

污水或者污泥的厭氧消化會(huì)產(chǎn)生甲烷，大部分甲烷都以沼氣的形式存在，按照亨利-道爾頓定律，即使很小比例的甲醇也可溶解于液體中。在1bar氣壓下，30 mg/L (10˚C) 或者 23 mg/L (20˚C)的甲醇將溶于水中。如果暴露在空氣中，甲醇極易揮發(fā)于大氣。如果待處理的污水量很大，厭氧處理過程將會(huì)產(chǎn)生大量甲烷。對(duì)于污泥厭氧消化而言，甲烷產(chǎn)量是相當(dāng)小的，因?yàn)槲勰鄥捬跸�化處理的水量很小，所以溶解于其中的甲烷甚至可以忽略不�?jì)，但這樣以來，所直接造成的沼氣損失也將很難估計(jì)。如果25 L/PE×d的沼氣中有1%的損失，沼氣中的甲烷含量按照60%估算，那么GWP將為0.8kg/PE×y。

3、一氧化二氮(N2O)

好氧和厭氧條件下都會(huì)產(chǎn)生N2O，所以污水處理的硝化過程和反硝化過程都會(huì)產(chǎn)生N2O。N2O可以在污水處理過程中被排放，同時(shí)，N2O也可隨著污水一起被排放。迄今為止，這方面的研究都為數(shù)不多。一個(gè)德國研究報(bào)道聲稱，如果不算工業(yè)排放量，污水處理過程中N2O的排放量為7 g /person per year。在一個(gè)荷蘭的調(diào)研中，N2O的排放量為3.2g /person per year。在德國吉森市的一個(gè)研究中發(fā)現(xiàn)，好氧硝化反應(yīng)器的N2O排放量為 30mg/m2×h ，而厭氧反硝化反應(yīng)器的N2O排放量僅為 0.8mg/m2×h。這些報(bào)道的結(jié)果都基本在同一個(gè)范圍內(nèi)，所以可以粗略估計(jì)出N2O排放量大約為5g/PE×y，GWP為1.5kg/PE×y。

也有報(bào)道聲稱，隨著水溫的增加(>18℃)，N2O的排放量也隨之增加，增加幅度將達(dá)到10倍以上。

磷回收

磷元素是污水中最重要的營養(yǎng)物。地球上的磷礦資源非常有限并且不可再生。到本世紀(jì)末，磷礦即將被消耗殆盡。所以，如何利用“二手”磷將變得更為重要，而污水中恰好還有大量的磷元素。

在沒有除磷工藝的活性污泥法中，大約40%的磷元素保留在污泥中，60%將隨出水排走。如果通過化學(xué)法或者生物法對(duì)污水進(jìn)行除磷，將有90%的磷元素被儲(chǔ)存在污泥中。如果污泥經(jīng)處理后用于農(nóng)業(yè)，污泥中的磷元素將是很好的肥料。

但是實(shí)際上農(nóng)業(yè)應(yīng)用具有非常嚴(yán)格的限制要求，因?yàn)槲勰嘀袝?huì)含有重金屬與其他有機(jī)物。磷可以從以下物質(zhì)中被提取：

——出水;

——消化污泥;

——污泥回流液;

——脫水污泥;

——污泥焚燒后的灰分。

表4闡述了以上四種物質(zhì)中可回收的磷的濃度和回收率。如果污水處理工藝沒有生物或者化學(xué)除磷環(huán)節(jié)，出水中磷的回收率將高達(dá)55%，只有采用了生物或者化學(xué)除磷工藝，才會(huì)在污泥或者污泥回流液中得到較高的磷回收率。

 

表4 四種物質(zhì)中所含磷元素的特性參數(shù)

在過去的十年里，德國進(jìn)行了大量關(guān)于磷回收的研究。然而，要想從出污水中去除磷，就必須對(duì)所有的污水進(jìn)行處理，這也就是為什么迄今為止這項(xiàng)技術(shù)還沒有得到廣泛應(yīng)用。相比之下，污泥、污泥回流液的體量就會(huì)小很多，而污泥灰分的體量是最小的。這也就是為什么有這么多研究都將重點(diǎn)放在了污泥以及污泥灰分上，因?yàn)樗鼈兪羌夹g(shù)可行性最高的。

1、從污泥中回收磷

由于高昂費(fèi)用的原因，在德國，截止到2011年只有吉夫霍恩有一座污水處理廠采用了較大規(guī)模的磷回收工藝。該水廠的處理能力是50000PE。在吉夫霍恩，“Seaborne Process”被用來進(jìn)行消化污泥處理，這個(gè)技術(shù)分為三個(gè)步驟：

——酸浸泡;——去除重金屬;

——沉淀;

圖10 吉夫霍恩的Seaborne process流程圖

在酸浸泡階段，消化污泥與H2SO4相混合，用以降低pH。此時(shí)，重金屬和磷酸鹽就會(huì)被溶解。在此過程中，可以加入氧化劑。兩小時(shí)以后，離心機(jī)就可以將非溶解態(tài)物質(zhì)分離出來。

被分離出的含有溶解態(tài)磷酸鹽、氮和重金屬的液相將進(jìn)入重金屬去除階段。這個(gè)過程中，需加入Na2S，重金屬便會(huì)以硫化物的形式沉淀析出。

接下來并且是最重要的步驟，就是加入氫氧化鎂，沉淀的磷酸鹽將形成鳥糞石，鳥糞石是一種非常好的肥料。鳥糞石或者硫酸銨鎂(MgNH4PO4×6H2O)中的Mg2+, NH4+ 和 PO43- 的含量比例是1:1:1，它也被稱作MAP，形成過程見以下方程式：

HPO42- + NH4+ + Mg2+ + OH– + 6 H2O → MgNH4PO4×6H2O

在吉夫霍恩，該水廠的總投資是700萬歐元，而平時(shí)的產(chǎn)出大約是1.3噸的N-P肥料。至今為止，其成本投入仍然是回報(bào)資金的好幾倍。

2、從污泥灰分中回收磷

只有當(dāng)污泥只經(jīng)過焚燒一道工序時(shí)，磷回收才會(huì)有一定的意義。否則的話，磷的含量會(huì)非常低。在德國，大約有20%的污泥將會(huì)被用來單獨(dú)焚燒，焚燒會(huì)將污水中的磷濃縮并轉(zhuǎn)移至污泥灰分中。污泥灰分會(huì)分解為有機(jī)物，包括一些潛在的毒性有機(jī)物。因此，灰分中的磷不再適宜用于植被肥料等。污泥灰分包括大約17%的P2O5。根據(jù)原水性質(zhì)不同，污泥灰分將有可能含有不同的重金屬。這也就是為什么灰分再用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)之前必須經(jīng)過適當(dāng)處理的原因。

迄今為止，德國只有一座小規(guī)模污水處理試驗(yàn)廠在實(shí)驗(yàn)此技術(shù)，這座水廠屬于歐盟SUSAN工程(Sustainable and Safe Re-Use of Municipal Sewage Sludge for Nutrient Recovery)。此技術(shù)是將污泥灰分與含氯物質(zhì)(e.g., MgCl2)摻混在一起，放入爐中加熱至850-1000ºC。此時(shí)，揮發(fā)性重金屬氯化物將會(huì)以氣態(tài)形式揮發(fā)至大氣，同時(shí)，新的礦物質(zhì)將會(huì)形成，并且磷的生物利用率將會(huì)增加。