污水厂节能降耗和资源回收新技术--2018全球水与污水前沿技术回顾（2）
污水中蕴含着包括水、能源和营养物等资源，从去除污染物到资源回收，污水管理的观念正在发生转变。让污水变成有利用价值和经济效益的资源的理念越来越受到行内外的关注。许多新兴的节能降耗和资源回收的污水处理技术正在被研究和探索，包括了直接厌氧处理实现净能量输出，氮和磷的分离与浓缩以提供高价值的肥料原料，有利用途的水回收; 污水中回收如金属和纤维等材料。在接下来的几周时间内，IWA微信公众号将带大家回顾第十五届IWA前沿技术大会（IWA LET Conference）的精彩内容。
城市水循环圈有着各种物质的循环相互影响，例如硫酸铝在污水处理中的使用导致了污泥量的增加。澳大利亚昆士兰大学袁志国教授和他的团队提议使用不含硫酸的铁盐（例如氯化铁）作为替代物。使用铁盐的好处在于，当含铁污泥进入下水道时，铁离子与污水中的硫化物反应，减少硫化氢产出，从而保护管网免受其腐蚀。在污水处理过程中，这种硫化物还原反应继续进行，同样可减少厌氧消化阶段产生的硫化氢。铁盐与磷酸盐发生沉淀反应，为下游提供更优质出水，减少水垢负荷。更重要的是，自来水厂生产过程中会产生含铁污泥，因此自来水厂可以成为铁盐的“供应商”，自来水产生的污泥投入下水道或者污水系统中，形成一个理想的闭合循环。但这些结果要求管理者对自来水厂、下水道和污水处理厂进行综合的整体考虑，因此目前他的团队正在和新加坡的PUB对该技术在新加坡开展的可行性进行中试研究。
在综合城市供水系统建议的铁盐使用方式
厌氧污泥消化液含有高浓度氨氮，澳大利亚昆士兰大学袁志国教授和他的团队发明的LODOMAT创新工艺，巧妙引入游离亚硝酸（FNA – free nitrousacid）的原位制备和应用，可用于抑制主流中NOB的生长，实现主流处理中的短途硝化反硝化或部分亚硝化。目前有一个规模超过300万澳币的中试项目正在澳大利亚进行中。
传统的硝化反硝化往往需要外加碳源，澳大利亚昆士兰大学袁志国教授和他的团队提出通过使用基于膜传导的生物膜反应器(MBfR)，用沼气作为补充碳源，强化硝态氮/亚硝态氮的去除效果，从而去除外加碳源的需要。
这个工艺的前提是出水的总氮标准低于5mg/L，在上述利用厌氧消化液的氨氮控制主流处理中的NOB菌的前序处理后，厌氧消化生成的甲烷可以作为碳源去除anammox反应器中的硝态氮，这种反应称为DAMO (反硝化型厌氧甲烷氧化)。这种工艺与MBfR技术相结合，具有成本低廉、甲烷利用率高、占地面积小等优势，是利用甲烷深度处理污水的良好载体。
基于未来水资源回收工厂的理念，普林斯顿大学任志勇教授提出了可以将污水中的有机碳和二氧化碳资源化的5项潜在技术，其中包括了微生物电解碳捕获(MECC)、微生物电合成(MES)、微藻养殖、人工湿地和生物炭。
微生物电解碳捕获(MECC)
微生物电解技术可以分解有机物产氢和将CO2矿化为碳酸盐
微生物电合成(MES)
微生物电合成是从阳极的污水回收电子，然后将阴极的CO2还原成各种有机化学物。
基于上述两种电化学技术，再与微藻养殖、人工湿地和生物炭技术结合，他提出了一套完整的污水资源化解决方案（如下图b）：
微生物电解碳捕获（MECC）将污水用作电解液，在阴极生成氢气和氢氧离子，在阳极生成质子。酸度溶解了硅酸盐和释放出的金属离子和氢氧根生成金属氢氧化物，将CO2转化成碳酸盐或碳酸氢盐。这个技术的优点在于可以处理工业有机氧化产生的CO2，所以可算作一项负碳工艺。另外产氢的回收率也高达91-95%，使得系统的能量净产出为57-62KJ/mol-CO2。pH值稳定，无需缓冲液的调节，也没有监测到有毒的含氯化合物。生成的碳酸盐/碳酸氢盐对污水处理和海洋中的长期碳储存都是有价值的，所以它能给不同行业创造经济和环境效益。
他认为新技术的引入使得碳捕获和利用（CCU）的可行性大增，而污水是理想的原材料，但也表示仍需更多的研究以了解其潜力和挑战。
大多数污水厂用铁盐去除水中的磷酸盐。铁与可溶性磷酸盐结合转化为不可溶的磷酸铁沉淀物，最终进入污泥。这项技术已有50多年的历史。然而在这么长的时间里，人们都没真正对磷酸铁沉淀物的形成种类作过调查。
荷兰代尔夫特理工大学Wilfert博士的研究发现，原来污泥中的大部分磷酸盐都结合在一种磷酸铁矿物里，这种物质叫蓝铁矿(vivianite)，因为它具有铁磁性，因此可以利用采矿业的成熟设备通过磁铁将它从污泥中得到回收。
蓝铁矿一旦得到分离，可以用钾碱液将其溶解，然后生成液态的磷酸钾肥料。在这个溶解过程中同时也生成了可用于铁盐生产的氧化铁。另外这些盐可以再次回用于污水处理厂的除磷工艺中。
来自浙江大学的Wang Ru也是此项目的联合研究员，她在第十五届IWA LET大会上介绍了此项技术。此工艺可应用于厌氧消化后的污泥。厌氧消化首先降低了污泥体积，而且能通过沼气的形式回收能量。在厌氧消化过程中，Fe(III)被还原成Fe(II)，这导致蓝宝石的生成。目前他们正成立名为VIVIMAG的项目团队对磷酸铁的磁性分离工艺的规模化可行性进行研究。
VIVIMAG项目的相关图片
研究团队提出的磁铁除磷概念流程图
水体富营养化尤其磷污染问题日益加剧，污水厂是磷酸盐的重要中转站，污水除磷是对防止水体富营养化的意义重大。南京大学环境学院的张延扬博士在IWA LET大会中介绍了如何运用纳米复合材料进行污水深度除磷和回收。
该技术核心是采用聚苯乙烯阴离子树脂基的铁/镧纳米复合材料，从污水厂二级出水中选择性吸附并浓缩磷酸盐，并最终从材料的脱附液中成功回收高纯度的鸟粪石。研究还发现，在高竞争离子（SO42-）存在下，Ca2+可显著增强铁系纳米复合材料（HFO-201）的磷酸盐去除效果。且经过20个吸附-再生循环后，增强效果依然显著，含有Ca2+的HFO-201的工作容量增加到1200BV，几乎是对照组的2倍。机理研究表明，该种增强效应来源于局部pH上升，晶型转变和Ca-P三元络合物的形成。张延扬博士还重点介绍了新材料镧系纳米复合材料的合成，除磷性能机理和应用，该种材料通过前驱体导入-原位成核技术将水和氧化镧纳米颗粒稳定固载，材料除磷选择性和容量较铁系纳米复合材料均有显著提升，该种材料通过可逆晶型转变实现磷的吸附和再生，可长期重复利用。这种技术的优点在于较高的吸附容量、高选择性、运行稳定，而且维护工作少。该项目还获得了美国George Barley Prize的奖项。
摘录自《全球水与污水前沿技术趋势白皮书--国际水协会2018前沿技术大会热点话题及精华合集》，未完待续。
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