清华大学环境学院 环境模拟与污染控制国家重点联合实验室  黄  霞

        污水处理最初的目的是为了保护下游居住者的用水安全。长期以来，以活性污泥法为代表的生物处理工艺在消除污水中的有机污染、氮和磷营养物中发挥了积极作用。然而受工艺原理本身的限制，传统活性污泥法存在高耗能、低资源回收、高排碳等问题。活性污泥法由于需要通过曝气给微生物分解污染物供氧，其曝气能耗高达总能耗的40%~50%。如我国城市污水年排放量按400亿m³，曝气能耗成本按0.15元/m³计算，则每年处理城市污水的曝气能耗超过60亿元。而另一方面，污水中所含的碳、氮、磷物质，还有水本身，都是有价资源。这些资源在污水处理过程中被消耗或排放，造成资源的大量浪费。这种高能耗、低资源回收的处理模式与当今社会的节能减排、节约资源的发展战略相矛盾。因此，需要改变传统污水处理的模式和观念，未来的污水处理模式应由传统的“必须从污水中去除什么”转变为“能够从污水回收到什么”，将污水处理由不得已的行为（污染物去除、达标排放等）转变为持续的积极行动（能源回收、物质回收、水再生等）。本文在分析污水中的有价资源的基础上，综述有关碳、氮、磷资源的转化和回收方法，并对未来污水处理模式和集成工艺进行展望。

       水是最大的有价资源。污水经适当的处理可以作为再生水资源进行利用。以我国的城市污水为例，如果年排放量按400亿m³计，如经过适当的处理，可提供280亿m³/a的再生水。其次是污水中的碳资源，每立方米城市污水中约含COD 0.5 kg，每年随城市污水排放流失的碳资源达2000万t，据估算约是处理污水所耗能量的9.3倍；按去除每千克COD产生0.35m³甲烷、甲烷回收率80%计算，可产生甲烷60亿m³，厌氧消化后的有机质残留量按20%计算，可生产有机肥料400万t。此外，污水中还含有氮磷，每立方米城市污水中平均约含氮0.05 kg、磷0.005 kg，年流失量达200万t氮和20万t磷。有研究表明，人的饮食中含有大量的氮，而大约30%的氮汇聚到城市污水中，因此，仅从城市污水中回收氮资源可满足现在农业用氮量的30%。磷在自然界中主要以磷酸盐岩石、鸟粪石和动物化石等天然磷酸盐矿石形式存在。磷在生物圈中大部分是单向流动，是一种不可更新的有限资源。有关陆地现存的磷资源还能维持人类使用多久一直存在广泛的讨论有争议，一般认为已探明的磷储量仅够人类使用上百年。而开采磷矿石需要消耗大量的能量，同时会带来严重的环境污染（如重金属、放射性物质污染等）。人的排泄连同大量的洗涤剂、食品添加剂等含磷产品均会排入城市污水，通过回收污水中的磷资源，可以减少商品磷化肥的使用和磷矿石的开采。

        能源转化：从污水中的碳物质回收能源，最为常见和实用的方法是通过厌氧消化将有机物转化为甲烷。有关厌氧产甲烷技术的研究和应用有悠久的历史，各种高效的厌氧反应器，如升流式厌氧污泥床（UASB）等被广泛用于厌氧消化。目前在城市污水处理厂应用最为广泛的能源回收方式是通过对初沉池污泥和二沉池剩余污泥进行厌氧消化，将污泥中的有机物质转化为甲烷，并通过沼气发电机进一步转化成电能，补充污水处理厂的用电。例如，北京市高碑店污水处理厂，处理规模100万m³/d，由污泥消化回收的电能可约补充厂区用电的25%。在污泥消化过程中，考虑残余的非生物降解成份等，仅有约一半的污泥（以COD计）被转化为甲烷气体，因此，污水中的有机物大约只有25%被转化成能源。为了提高污水中有机物的能源转化，可以对污水直接进行厌氧消化，这在气候温暖的地区已得到应用。但在非热带地区，由于产甲烷菌对温度非常敏感，在常温条件下处理有机负荷较低的城市污水时，厌氧产甲烷速率比较低，出水需做进一步处理后才能达标排放，同时相当部分的甲烷（大约40％）溶解在水中随出水排放，形成温室气体排放。如何提高常温、低有机负荷条件下厌氧产甲烷速率是一大挑战。近年，许多研究者进行了不少尝试，如将厌氧处理与膜技术结合的厌氧膜生物反应器表现出潜在的优势，处理生活污水的小试研究结果表明，在几个小时的停留时间内出水COD浓度可降低到10mg/L以下。提高污水厌氧消化效率的另一办法是对污水先进行浓缩预处理后再进行厌氧消化。污水中有机物的浓缩技术主要包括：向污水中投加一些废弃或廉价的生物质材料（如锯末、木屑等）、混凝剂、回流的剩余污泥等，通过吸附或混凝作用对污水中有机物进行富集和浓缩，经沉淀或膜分离进行固液分离后得到浓缩液和预处理出水。据研究报道，通过二沉池剩余污泥回流与污水进行一定时间的接触，污水中一半以上的COD可以转移到浓缩液中。如果再投加少量的混凝剂，可以进一步提高污水中COD的去除率和浓缩液中的有机物浓度。污水的浓缩预处理一方面可以增加浓缩液的厌氧消化效率和甲烷转化率，另一方面也降低了水相有机物浓度，减轻了处理负担，只需进行一些简单的处理即可使出水达标排放或回用。最近，刚刚开始的一些研究试图利用特种膜技术（如反渗透、正渗透等）直接浓缩分离污水中的有机物并获得直接回用的再生水，但相关工作尚处在探索阶段。

       近年来，由于微生物燃料电池（Microbial fuel cell, MFC）可以将污水中的有机物直接转化为电能，相关研究在国内外受到广泛关注。MFC技术具有对底物的利用范围宽、受温度影响小、能量转化率高等优点。根据热力学计算，MFC降解1 mol葡萄糖可获能1430J，而厌氧产甲烷燃烧后仅获能808J。但由于目前MFC产电效能较低，属于“低品位”电能，难以直接利用。如何将MFC产生的电能原位用于污水处理本身，减少外部能量的输入，降低污水处理能耗，是未来MFC领域的重要发展方向。如在MFC中插入若干阴阳离子交换膜对，形成交替排列的浓淡室，利用MFC形成的电场推动内部离子的迁移，形成微生物脱盐电池（microbial fuel cell, MDC），可以在不施加外部能量的条件下，实现水脱盐，在盐浓度高到35g/L时，脱盐率可达90%以上。又如，利用MFC的生物阴极，以硝酸盐为电子受体，可以实现污水脱氮等。

        资源转化：污水中的碳物质可以通过生物合成向高附加值物质转化，如生物降解塑料（PHAs）、乙酸、丙酸、生物农药、表面活性剂等环境友好产品。PHAs由于具有非常好的生物相容性和生物可降解性，在包装材料、医学组织工程材料、缓释材料等领域具有广泛的应用前景，成为新型环境功能材料领域的研究热点。目前PHAs的工业化生产以纯种微生物的生物发酵方式为主，生产原料主要是葡萄糖、乙酸和丙酸等有机物，生产成本高。为降低PHAs的生产成本，研究人员利用混合菌种和以城市污水或城市污水处理厂剩余污泥水解液为碳源生产合成PHAs，并开展了大量的试验研究。有研究表明，通过对传统活性污泥处理工艺的改造和工艺参数的控制可以同时实现污水处理和PHAs的合成，但获得的PHAs积累菌占总细胞的比例和PHAs累积菌内PHAs含量不高，也很难获得高品质的PHAs产品。通过对剩余污泥的定向水解，再利用水解产物合成PHAs不失为一条经济可行的方法，目前已有中试规模的报道。如何进一步优化工艺生产，提高PHAs转化率并获得高品质产品仍是今后需要研究和解决的课题。

        典型城市污水中的无机氮主要以氨氮（游离氨NH₃与离子态铵盐NH₄⁺）形式存在，无机磷主要以磷酸盐形式（PO₄^3-，HPO₄^2-，H₂PO₄^-）存在。

        氨氮的回收方法主要有化学沉淀（鸟粪石）法、吸附法、离子交换法和膜分离（反渗透、电渗析等）。利用化学沉淀法生成鸟粪石（MgNH₄PO₄）可以实现氮磷同步回收，通常用于污泥消化液中氮磷的回收，但由于污水中氮磷比远高于鸟粪石中的氮磷比，需额外投加磷和镁。采用沸石和树脂可以对污水中的氨氮进行吸附或离子交换，投资少能耗低，但需频繁再生；利用反渗透、电渗析等也可以达到对氨氮的回收，但运行能耗均较高。低耗的氨氮回收技术仍值得今后探索。

        磷的回收方法主要有化学沉淀法、强化生物除磷法、吸附法等。采用化学沉淀法生成鸟粪石可以将磷与污水中的氨同步去除。也可以通过向污水中直接投加铁盐、铝盐等形成磷酸铝或铁，再通过一些化学方法（如碱处理、热处理、臭氧氧化等）将磷释放出来，生产磷酸钙（磷工业的原料）。强化生物除磷得到的富磷剩余污泥也可以采用上述方法回收磷。对于处理出水中低浓度磷酸盐，可以采用吸附法进行磷回收，但现有的吸附剂（如活性氧化铝等）的吸附容量有限，再生周期短，需要开发更高效的吸附剂。

        水是污水处理厂产出的最重要资源，经适当处理后可以用于各种回用目的。然而再生水的安全性是影响污水再生利用的重要因素。再生水的安全性分为生物学安全性和化学安全性。消毒是保证生物学安全性的重要措施，在常用的氯消毒基础上，紫外线消毒以其高效性、安全性、经济性等在实际应用中得到高度关注。再生水的化学安全性主要与新型微量有机污染物质，如内分泌干扰物（EDCs）、药品和个人护理品（PPCPs）等有关。这些微量有机物质由于具有潜在风险，相关去除技术研究受到广泛关注。主要的研究方向包括强化生物处理工艺对微量有机物的去除效果，开发高效的深度处理技术，如吸附技术、膜技术或氧化技术等。膜技术由于具有高效性、安全性、稳定性等特点在水再生回用中倍受青睐。对微量有机物具有截留效果的主要是高压膜（纳滤和反渗透），在不少地区已有工程应用，但运行能耗较高。此外，研究和应用较为广泛的有化学氧化法，如臭氧氧化等。许多研究者利用臭氧氧化去除EDCs、PPCPs，均获得了较高去除率。然而，由于臭氧在水中容易散失，污水处理厂二级出水中残存的胶体、微生物代谢产物等对臭氧会产生竞争消耗，造成臭氧的处理费用较高。如何提高臭氧的利用效率，降低处理成本是今后需要关注的课题。将微气泡引入臭氧氧化工艺可以增加臭氧在水中的滞留时间，提高臭氧氧化速率；将膜分离作为预处理与臭氧氧化组合可以减轻二沉池出水胶体、微生物代谢产物等对臭氧的竞争消耗，降低臭氧投加量和处理成本，相关研究和应用值得关注。

       随着环境污染和资源短缺问题日益突出，高耗能、低资源回收、高排碳的传统污水处理模式需要得到改变，建立面向资源回收的新型污水处理模式是未来发展的方向。如前所述，有关污水中资源回收的技术多种多样，各具有优势和局限性，有些技术也尚处在探索之中。因此，需要在分析各资源回收技术的实用性和经济性的基础上进行优化组合，构建面向资源回收的新型污水处理集成工艺，并优化物质流和能量流，实现污水中有价资源的最大化利用。由于技术是不断发展的，面向资源回收的新型污水处理集成工艺也应是逐步实施的，并不断得到提升和完善。相信随着科学技术的不断进步，未来的污水处理厂不仅能消除环境污染物，而且能够成为有价资源的生产厂。