從厭氧處理系統到生物煉制的概念

01 作為生物煉制核心的厭氧模式的簡要演變

厭(yan)(yan)氧(yang)處(chu)理(li)(li)(li)是發展可持續衛生的(de)(de)(de)最有(you)前景的(de)(de)(de)處(chu)理(li)(li)(li)技(ji)術(shu)之一，同時(shi)也是資源(yuan)和能(neng)源(yuan)回(hui)(hui)收的(de)(de)(de)核心技(ji)術(shu)。上流式厭(yan)(yan)氧(yang)污泥(ni)床（UASB）在市政污水(shui)處(chu)理(li)(li)(li)廠成功建立并得到了(le)廣泛的(de)(de)(de)認可，尤其是在廢水(shui)溫(wen)度通常高于20°C的(de)(de)(de)熱(re)帶(dai)和亞熱(re)帶(dai)地(di)區。后來(lai)(lai)，人們(men)進一步開發了(le)膨脹顆(ke)粒污泥(ni)床（EGSB），與UASB相比，EGSB增(zeng)加了(le)水(shui)力(li)混合，增(zeng)強了(le)處(chu)理(li)(li)(li)系統(tong)內的(de)(de)(de)基質生物(wu)量(liang)(liang)(liang)相互作(zuo)用。雖然成熟的(de)(de)(de)UASB/EGSB結構大(da)多滿足厭(yan)(yan)氧(yang)處(chu)理(li)(li)(li)所需的(de)(de)(de)要(yao)求，但(dan)由(you)于顆(ke)粒崩解的(de)(de)(de)不(bu)利(li)條件，因(yin)此又將膜技(ji)術(shu)與厭(yan)(yan)氧(yang)處(chu)理(li)(li)(li)結合起來(lai)(lai)，形成了(le)AnMBR的(de)(de)(de)發展。同時(shi)，利(li)用污泥(ni)厭(yan)(yan)氧(yang)消(xiao)化（AD）的(de)(de)(de)熱(re)電聯供（CHP）系統(tong)已成為現有(you)能(neng)源(yuan)自(zi)給型污水(shui)處(chu)理(li)(li)(li)廠最常用的(de)(de)(de)技(ji)術(shu)。根(gen)據生命周(zhou)期比較，與傳統(tong)活(huo)性污泥(ni)加上AD相比，AnMBR技(ji)術(shu)可以產(chan)生更多的(de)(de)(de)沼氣凈能(neng)量(liang)(liang)(liang)。AnMBR作(zuo)為一種主(zhu)線廢水(shui)處(chu)理(li)(li)(li)工藝(yi)的(de)(de)(de)主(zhu)要(yao)優點(dian)是能(neng)夠(gou)回(hui)(hui)收廢水(shui)中的(de)(de)(de)大(da)部分(fen)能(neng)量(liang)(liang)(liang)，而不(bu)是目前的(de)(de)(de)好(hao)氧(yang)厭(yan)(yan)氧(yang)處(chu)理(li)(li)(li)只能(neng)回(hui)(hui)收部分(fen)能(neng)量(liang)(liang)(liang)。

02 厭氧工藝中的資源回收

2.1 污水處理方面

廢(fei)(fei)水厭氧處理過程(cheng)中(zhong)產生的(de)沼氣可作為能源。然而，大量的(de)CH4由于溶解在廢(fei)(fei)水中(zhong)不能被回(hui)收，UASB等厭氧廢(fei)(fei)水處理工藝因液體上流(liu)速度低和混合不足而受到限(xian)制(zhi)。

在(zai)城市污水(shui)價值化(hua)的(de)概念中，兩步(bu)生(sheng)物(wu)轉化(hua)是發酵反應器中一種有(you)吸引(yin)力的(de)替代路線。廢水(shui)中的(de)復(fu)雜有(you)機物(wu)在(zai)最終(zhong)成為(wei)其他(ta)有(you)價值的(de)產品(pin)之前簡單地轉化(hua)為(wei)VFAs。這使得生(sheng)物(wu)轉化(hua)機制分步(bu)優化(hua)成為(wei)更直(zhi)接的(de)生(sheng)物(wu)生(sheng)產過程。在(zai)此過程中，VFAs的(de)濃度和種類通常決定最終(zhong)產品(pin)的(de)質量。

AnMBR已經成功作(zuo)為(wei)處(chu)理城市污(wu)水(shui)(shui)(shui)的補充設施，其COD去(qu)(qu)除率高，出(chu)水(shui)(shui)(shui)能達到大部分回用的目的。但是，如果不進一(yi)步去(qu)(qu)除營養物(wu)質，通常無法(fa)將(jiang)處(chu)理后的廢水(shui)(shui)(shui)排放(fang)到水(shui)(shui)(shui)環境中(zhong)或進行再利用。在(zai)這方面，有人建議(yi)使(shi)用微藻從AnMBR廢水(shui)(shui)(shui)中(zhong)去(qu)(qu)除營養物(wu)。此外，在(zai)歐盟LIFE項目MEMORY（life memory.eu）的背景下，介紹了(le)浸沒式AnMBR（AD和(he)膜(mo)技術(shu)的結合）。這種創(chuang)新的試點實(shi)施為(wei)城市污(wu)水(shui)(shui)(shui)處(chu)理和(he)資源(yuan)回收提供了(le)有前(qian)景的技術(shu)。

2.2 污泥處理方面

污(wu)水(shui)污(wu)泥(ni)管(guan)理是城市污(wu)水(shui)處(chu)理廠運(yun)營費(fei)用的(de)(de)主要組成部分。在大規模的(de)(de)污(wu)水(shui)處(chu)理廠中(zhong)，污(wu)泥(ni)通常經過AD回收能源（富(fu)含(han)甲烷的(de)(de)沼氣），從而在CHP下產生(sheng)熱量和電能。將污(wu)泥(ni)作為其他(ta)增值工藝或者生(sheng)物能源的(de)(de)原料的(de)(de)趨勢也(ye)越來越大。

污(wu)(wu)水處理廠(chang)是一(yi)個綜(zong)合過(guo)程(cheng)，提(ti)取(qu)VFA將(jiang)(jiang)減少(shao)供給AD的(de)(de)(de)有機(ji)物量，這最終將(jiang)(jiang)減少(shao)能量回(hui)收。在這方面(mian)，應精心(xin)設計和(he)優化VFA生(sheng)(sheng)產和(he)從污(wu)(wu)水污(wu)(wu)泥(ni)中提(ti)取(qu)的(de)(de)(de)效(xiao)益，以免影響CH4的(de)(de)(de)回(hui)收。優化應著重于兩個主(zhu)要準則：（1）發(fa)酵和(he)提(ti)取(qu)過(guo)程(cheng)的(de)(de)(de)成(cheng)本(ben)（主(zhu)要投資和(he)運營(ying)費用）以及VFA使(shi)用或銷售的(de)(de)(de)進(jin)一(yi)步收益；（2）對(dui)CH4生(sheng)(sheng)成(cheng)的(de)(de)(de)影響。根據污(wu)(wu)水污(wu)(wu)泥(ni)產酸發(fa)酵過(guo)程(cheng)中VFAs的(de)(de)(de)選擇性生(sheng)(sheng)產，VFAs還具有較高的(de)(de)(de)經濟價值。

WWTPs回收營(ying)養物可(ke)用(yong)于鳥糞/Ca-P沉淀(dian)或生物炭吸附實現，有研(yan)究認為應考慮采(cai)用(yong)替代的營(ying)養回收技術（即膜(mo)、電滲(shen)析(xi)）來(lai)提(ti)高回收營(ying)養的質(zhi)量。結晶(jing)法回收磷還有其他一些好處，例(li)如(ru)，產生的污(wu)泥體積以及其他不(bu)需要(yao)的沉淀(dian)物較少，最終降低了污(wu)泥處置成本。

生(sheng)物聚(ju)(ju)合物是(shi)一(yi)組與石(shi)油(you)塑料(liao)具有類(lei)似(si)性(xing)(xing)質的(de)(de)(de)聚(ju)(ju)合物，由(you)可(ke)再生(sheng)資源(yuan)(yuan)生(sheng)產(chan)，也可(ke)由(you)不同類(lei)型的(de)(de)(de)細(xi)菌利用(yong)碳(tan)作(zuo)為基質而產(chan)生(sheng)。PHAs的(de)(de)(de)主要優點是(shi)完全可(ke)生(sheng)物降(jiang)解和(he)(he)無毒。PHA儲(chu)(chu)存(cun)細(xi)菌常見于污水處理廠的(de)(de)(de)活(huo)性(xing)(xing)污泥工藝中，它(ta)(ta)們將(jiang)這些聚(ju)(ju)合物作(zuo)為碳(tan)源(yuan)(yuan)和(he)(he)能(neng)源(yuan)(yuan)儲(chu)(chu)存(cun)。PHA回收是(shi)一(yi)種經濟上(shang)可(ke)持續的(de)(de)(de)選擇。它(ta)(ta)描述(shu)了以(yi)下子(zi)過程(cheng)：（1）纖(xian)維素一(yi)級污泥發(fa)(fa)酵，提(ti)高VFAs的(de)(de)(de)產(chan)量，并以(yi)可(ke)溶性(xing)(xing)形式（即氨(an)和(he)(he)磷(lin)酸鹽(yan)(yan)）釋(shi)放(fang)氮和(he)(he)磷(lin)；（2）發(fa)(fa)酵產(chan)物的(de)(de)(de)固液分離，向污水污泥發(fa)(fa)酵液中加入Mg(OH)2形成鳥糞石(shi)利于沉淀(dian)；（3）銨在(zai)SBR中轉化為亞(ya)硝(xiao)酸鹽(yan)(yan)；（4）通過交替(ti)改變(bian)好氧(yang)缺(que)氧(yang)條件來驅動PHA作(zuo)為碳(tan)源(yuan)(yuan)存(cun)儲(chu)(chu)在(zai)細(xi)菌內部(bu)，同時(shi)促進(jin)(jin)(jin)反硝(xiao)化過程(cheng)；（5）使用(yong)進(jin)(jin)(jin)料(liao)分批反應(ying)器進(jin)(jin)(jin)行(xing)PHA累積，以(yi)最大化獲得PHA。

城市污(wu)水中(zhong)含(han)有(you)大(da)(da)量(liang)纖維素(su)（占懸浮(fu)固體總量(liang)的30%~50%），纖維素(su)作為一種(zhong)可通(tong)過篩選(xuan)從廢水中(zhong)回(hui)收(shou)的資源具有(you)巨大(da)(da)的潛力。纖維素(su)脫水污(wu)泥(ni)的好(hao)處(chu)是(shi)：化學藥劑消(xiao)耗減(jian)少，曝(pu)氣電耗較(jiao)低(di)，磷(lin)酸鹽釋放較(jiao)少，污(wu)泥(ni)排放量(liang)大(da)(da)幅度(du)減(jian)少，污(wu)泥(ni)處(chu)理和管理成本(ben)也隨之降低(di)。纖維素(su)回(hui)收(shou)將為污(wu)水處(chu)理廠的下游(you)生物工(gong)藝(yi)增加效益，并用于污(wu)水處(chu)理廠下游(you)與PHA混合(he)，以及最終生物復合(he)物生產的加工(gong)。

面向市場的技術

03 聚焦環境技術驗證和其他性能認證

在歐盟方面，創新(xin)環境技術幫(bang)助技術購買者識別符合其需求的(de)創新(xin)。除了技術驗證外，還應使用特(te)定(ding)的(de)功(gong)能測(ce)試確定(ding)回(hui)(hui)收材(cai)(cai)料(liao)的(de)特(te)性，以便(bian)將回(hui)(hui)收產品與(yu)工(gong)業產品進(jin)行(xing)比(bi)較。與(yu)其他回(hui)(hui)收材(cai)(cai)料(liao)相(xiang)比(bi)，磷酸鹽、生(sheng)物炭和熱解材(cai)(cai)料(liao)的(de)使用受(shou)到更多(duo)的(de)控制和調(diao)節。因為(wei)來(lai)源(yuan)不一致性和高變異性，常規生(sheng)產中回(hui)(hui)收的(de)PHA的(de)性質(zhi)表征還未(wei)明確。

04 回收材料到消費品/工業產品的價值化

有研究對從(cong)廢水中回收的(de)(de)材料進(jin)行了可(ke)(ke)持續(xu)性評估(gu)，涉及6個(ge)不同類別：經濟福(fu)利(li)、資源消耗、環境和(he)生物質(zhi)量、技術福(fu)利(li)、人類健(jian)康和(he)社會福(fu)利(li)。結(jie)果表明(ming)，從(cong)生產成(cheng)本和(he)市場(chang)價值(zhi)來看(kan)，PHA和(he)鳥糞(fen)石(shi)在(zai)(zai)經濟上是可(ke)(ke)行的(de)(de)。然而，PHA需要(yao)進(jin)行緊急和(he)進(jin)一步的(de)(de)調查，因(yin)為它顯示出一些關鍵問題，這與(yu)生產階段有毒(du)化(hua)合物的(de)(de)可(ke)(ke)能(neng)排放(fang)和(he)市場(chang)對食品(pin)安(an)全的(de)(de)看(kan)法有關。同樣，鳥糞(fen)石(shi)的(de)(de)利(li)用也取決于具(ju)體應用和(he)相關的(de)(de)立法，需要(yao)進(jin)一步評估(gu)。另(ling)一方面，在(zai)(zai)紙行業，纖(xian)維素回收和(he)應用的(de)(de)可(ke)(ke)能(neng)性較小，因(yin)為需要(yao)額外(wai)的(de)(de)清潔(jie)步驟(zou)從(cong)而增(zeng)加成(cheng)本。

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