为了服务更多水行业工程技术人员，《净水技术》杂志社以我国一线水行业技术工作者对最新工程应用与实践的求知需求为出发，通过遴选，检索SCI中若干水行业知名期刊的最新学术论文，通过汇总、筛选、翻译，将世界上最新的科研成果动态以部分全文翻译、部分摘要翻译的方式呈现给我国一线的水行业工程师，为感兴趣的读者提供索引，为我国水行业的整体进步做一些微小的工作。
美国《科学引文索引》（Science Citation Index, 简称 SCI ）于1957 年由美国科学信息研究所（Institute for Scientific Information, 简称 ISI）在美国费城创办，是由美国科学信息研究所（ISI）1961 年创办出版的引文数据库。SCI（科学引文索引）与EI（工程索引）、ISTP（科技会议录索引）被并称为世界著名的三大科技文献检索系统。
在整个20世纪，城市污水处理中普遍采用的氮处理方法是利用生物过程，如常规活性污泥将其转化成氮气（N2）来去除铵。虽然这是一项非常成功的保护人类健康和保护水生生态系统的战略，但氨转化为元素形式与21世纪发展循环经济不相容。且活性污泥法和其他新兴的氨氮去除途径有几个环境和技术限制。传统活性污泥法的最新替代技术主要是短程硝化-反硝化途径，先进行有机碳的去除，然后进行主流部分硝化和厌氧氨氧化（anammox），从而减少能源需求。与传统的硝化-反硝化工艺相比，该工艺所需的氧气还不到一半，剩余污泥也更少，可能将去除氨氮的操作成本降低90%。然而，其基本原则（即铵转化为氮气）保持不变。此外，保持高稳定的氨氮去除效率也是一个挑战。为了维持足够高的厌氧氨氧化活性，特别是在低温下，需要有选择性的生物量保留。此外，由于必须在不影响好氧氨氧化剂和厌氧氨氧化菌活性的情况下消除亚硝酸盐氧化菌（NOB），部分硝化-厌氧氨氧化系统在操作上很困难。选择性抑制NOB是复杂的，因为特定的系统可能需要压力[例如固体保留时间（SRT）、溶解氧设定值和/或游离亚硝酸或游离氨的使用]的组合。因此，尽管进行了大量的研究工作，到目前为止，厌氧氨氧化的大型实际应用主要局限于具有高氨氮浓度和中温特点的消化废水和工业废水的处理。另外，亚硝化-厌氧氨氧化系统可产生大量的一氧化二氮排放。使用15个代表性国家（图1所列国家）中一个人的排泄物铵含量中值（8.2~13.8 g/人/天），通过Haber-Bosch过程（12.1 kWh）固氮的全球平均能源使用量（12.1 kWh/kg NH3–N），铵的理论能量等于每人每天0.11~0.19 kWh（399~670 kJ）（见图1）。铵大约占排放的身体废物（铵加有机碳）中可利用的嵌入化学能的38%~48%。在考虑实施何种资源回收工艺时，如果大部分铵能被回收（例如，以生物甲烷的形式从有机碳中回收59%的能量是可行的），铵的含能不仅是嵌入能，而且是可回收能。如果铵以气态氨（NH3）的形式被回收，然后在CHP或燃料电池系统中就地燃烧，则该能量22 MJ/kg NH3的回收是完全可实现的。除了由于不回收铵而损失的嵌入能量外，传统的硝化-反硝化过程是能源密集型的，通常需要能量约2.6~6.2 kWh/(kg N)。同样重要的是，反硝化需要额外的有机碳。当厌氧氨氧化由于其自养而被实现时，可以避免反硝化的假定能量损失。然而，它仍然需要电力来满足这个过程的氧气需求。考虑到：（i）Haber-Bosch法从元素氮（N2）中生产铵的能源需求；（ii）生物脱铵所需的氧气需求；以及（iii）反硝化过程中所消耗的COD中嵌入的能源。很明显，水务公司在实现其污水处理厂整体较低的能源足迹方面的一个关键方法是从主流中实现铵的节能回收。除了铵在生物转化为N2时所损失的大量能量外，还有另一个主要缺点，即生成一氧化二氮，是一种温室气体，也是最主要的臭氧消耗物质之一。N2O生成机制复杂，不同配置和操作参数的生物脱氮（BNR）系统中N2O排放量有显著差异。如图2所示，全规模活性污泥处理装置的N2O排放量在总去除铵的0.01%~6.6%。虽然这些数值看起来很微小，但据估计，生活污水处理产生的N2O排放量约占整个城市水基础设施总温室气体排放量的14%~26%，占BNR工厂运营二氧化碳排放量的83%。据估计，与耗电量的2%~28%相比，斯堪的纳维亚废水处理厂温室气体排放占碳足迹的44%~71%。因此，废水处理中实现碳能源平衡需要显著减少一氧化二氮排放。如果氮可以直接以其反应形式（即铵态）回收，则可以完全防止N2O排放，从而大大降低污水处理厂的全球变暖潜能值（GWP）。近年来，N2O排放的外部性规模变得明显，每kg N2O-N排放成本高达0.26~18欧元。这些外部性是与N2O排放对社会造成的后果相关的负担，而这些后果并未反映在化石燃料的价格中，例如健康问题、粮食安全问题的增加和生态系统的破坏。虽然这些研究清楚地表明，N2O的环境外部性是显著的，但这些外部性尚未在决策过程和监管指南中被正式考虑。在过去的几十年中，人们提出了几种从废水中回收铵的方法，如表1所示。
废水处理行业唯一普遍采用的技术是挥发（空气或惰性气体汽提），通常是以硫酸铵的形式回收。只有在浓度高于2~3 g/L NH4–N的情况下才真正可行，并且通常在经济上是不可行的，除非用于温度升高的能量是免费的（通常加热温度为55°C）。氨可以有效地沉淀为鸟粪石（其他的铵沉淀具有很高的溶解度），但鸟粪石只有6%的铵，实际上是用来回收磷酸盐的。反渗透、电渗析和其他电化学过程取决于以铵为主要的阳离子，但是通常也会浓缩其他阳离子（尤其是单价离子）。如表1所示，在40~60 mg/L NH4-N的低浓度下，唯一显示出可行性的铵回收技术（除了吸附）是微生物细胞的同化吸收（它回收生物量，而不是铵）和反渗透（对铵是非选择性的，需要大量的预处理）。此外，从各种废水流中去除和回收铵的方法具有很大的成本。因此，我们认为生活污水中铵回收的关键在于提高氨氮的浓度到2~3g/L NH4-N以上，使上述氨氮回收技术具有成本效益。在物理化学技术中，吸附法有可能解决现有铵回收方法的局限性。该工艺一个关键的优势在于适合并能有效地去除低初始浓度的铵。吸附的其他优点包括：（i）它是一个相对简单和快速的过程，不需要任何启动时间；（ii）它不会产生污泥；（iii）一些吸附剂已知对铵具有高亲和力和选择性；（iv）可以得到高浓度的，所以也适合于铵的侧流回收；（v）与废水温度无关的快速吸附动力学（在通常观察到的生活废水温度范围内，8~35°C），后者使吸附特别适合较冷的气候。过去，大量的研究工作集中在低成本吸附剂的使用上，天然沸石可以说是最常见的研究材料。从技术上讲，沸石可以通过多种方式进行改性，例如：（a）用NaCl预处理以提高离子交换容量和效率；（b）加入磁性颗粒以增加吸附位点和磁性；（c）利用表面活性剂涂层进行表面改性；（d）合成具有一定孔径和粒度分布的沸石。为减少盐需求，从离子交换过程中回收和再利用废再生剂。尽管有缺点，但沸石能够快速且不受温度影响地去除很低浓度的铵，这意味着沸石工艺为开发新型的、适合生活污水回收主流铵的吸附剂提供了良好的基础。为了便于应用于生活污水，吸附剂不仅需要高选择性和优良的氨氮吸附性能，而且还需要：（i）适合CSTR型反应器 [如转盘式反应器、活性污泥池、序批式反应器（SBR）等，而不是柱式反应器] 的连续模式中运行，以便在现有的污水处理厂基础设施中重新安装；（ii）易于与废水分离；（iii）抗生物污染；（iv）易于针对不同的表面化学进行改性；（v）在不需要大量化学物质的情况下，在铵的释放和吸附剂的再生方面高效且具有成本效益。考虑到上述所要求的特性，聚合物基材料具有特殊的意义。根据官能团，聚合物吸附剂可分为非离子型、阳离子型或阴离子型；非离子交联聚合物（如聚环氧乙烷）可作为凝胶排阻媒介。另一方面，离子交联聚合物可用于选择性结合有相反电荷的分子（即阳离子结合在阴离子聚合物上）无需离子置换（如沸石和离子交换树脂），从而促进目标离子的结合。聚合物吸附剂正在向高选择性和高吸附容量方向发展，希望具有较好的防污能力，进行可连续进行的主流操作，以及聚合物吸附剂无需大量化学物质的再生能力。为了找到一个长期可持续的人为氮循环解决方案，我们显然需要减少对用天然气生产铵的能源密集型Haber-Bosch工艺的依赖。未来几年，人口增长和城市化正在推动新兴经济体实现数千座新的污水处理厂。根据联合国可持续发展目标（SDG）目标6.2（阿三视角 | 这个水行业大目标你还不知道？），该目标致力于在2030年前实现“人人享有充分和公平的卫生设施和个人卫生，并结束开放排便”，预计未来几年将新建1 000~15 000座污水处理厂。此外，在欧洲，许多废水处理设施仍然需要遵守欧盟的处理指令，并且需要升级以实现足够的养分去除。这为新建污水处理厂向更可持续的技术过渡以及需要升级为资源回收设施的现有污水处理厂的改造提供了机会。推荐参考：
Cruz H, Law Y, Guest J S, et al. Mainstream ammonium recovery to advance sustainable urban wastewater management[J]. Environmental Science & Technology, 2019.
最新工程应用于实践汇编2019年第6期
本期所检索文献的发表时间范围：
2019年7月20日~2019年9月20日
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