【原】SCI搬運(yùn)工 | 主流氨回收技術(shù)促進(jìn)城市污水可持續(xù)管理

凈水技術(shù) 2020-12-01

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為了服務(wù)更多水行業(yè)工程技術(shù)人員，《凈水技術(shù)》雜志社以我國一線水行業(yè)技術(shù)工作者對最新工程應(yīng)用與實踐的求知需求為出發(fā),，通過遴選,，檢索SCI中若干水行業(yè)知名期刊的最新學(xué)術(shù)論文，通過匯總,、篩選、翻譯,，將世界上最新的科研成果動態(tài)以部分全文翻譯,、部分摘要翻譯的方式呈現(xiàn)給我國一線的水行業(yè)工程師，為感興趣的讀者提供索引,，為我國水行業(yè)的整體進(jìn)步做一些微小的工作,。

美國《科學(xué)引文索引》（Science Citation Index, 簡稱 SCI ）于1957 年由美國科學(xué)信息研究所（Institute for Scientific Information, 簡稱 ISI）在美國費(fèi)城創(chuàng)辦，是由美國科學(xué)信息研究所（ISI）1961 年創(chuàng)辦出版的引文數(shù)據(jù)庫,。SCI（科學(xué)引文索引）與EI（工程索引）,、ISTP（科技會議錄索引）被并稱為世界著名的三大科技文獻(xiàn)檢索系統(tǒng)。

主流氨回收技術(shù)促進(jìn)城市污水可持續(xù)管理

在整個20世紀(jì),，城市污水處理中普遍采用的氮處理方法是利用生物過程,，如常規(guī)活性污泥將其轉(zhuǎn)化成氮氣（N₂）來去除銨。雖然這是一項非常成功的保護(hù)人類健康和保護(hù)水生生態(tài)系統(tǒng)的戰(zhàn)略,，但氨轉(zhuǎn)化為元素形式與21世紀(jì)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)不相容,。且活性污泥法和其他新興的氨氮去除途徑有幾個環(huán)境和技術(shù)限制。

城市水管理中除銨的局限性

1.1

脫銨的技術(shù)局限性

傳統(tǒng)活性污泥法的最新替代技術(shù)主要是短程硝化-反硝化途徑,，先進(jìn)行有機(jī)碳的去除,，然后進(jìn)行主流部分硝化和厭氧氨氧化（anammox），從而減少能源需求,。與傳統(tǒng)的硝化-反硝化工藝相比,，該工藝所需的氧氣還不到一半,，剩余污泥也更少，可能將去除氨氮的操作成本降低90%,。然而,，其基本原則（即銨轉(zhuǎn)化為氮氣）保持不變。此外,，保持高穩(wěn)定的氨氮去除效率也是一個挑戰(zhàn),。為了維持足夠高的厭氧氨氧化活性，特別是在低溫下,，需要有選擇性的生物量保留,。此外，由于必須在不影響好氧氨氧化劑和厭氧氨氧化菌活性的情況下消除亞硝酸鹽氧化菌（NOB）,，部分硝化-厭氧氨氧化系統(tǒng)在操作上很困難,。選擇性抑制NOB是復(fù)雜的，因為特定的系統(tǒng)可能需要壓力[例如固體保留時間（SRT）,、溶解氧設(shè)定值和/或游離亞硝酸或游離氨的使用]的組合,。因此，盡管進(jìn)行了大量的研究工作,，到目前為止,，厭氧氨氧化的大型實際應(yīng)用主要局限于具有高氨氮濃度和中溫特點的消化廢水和工業(yè)廢水的處理。另外,，亞硝化-厭氧氨氧化系統(tǒng)可產(chǎn)生大量的一氧化二氮排放,。

1.2

銨態(tài)氮在活性氮中的能量耗費(fèi)

使用15個代表性國家（圖1所列國家）中一個人的排泄物銨含量中值（8.2~13.8 g/人/天），通過Haber-Bosch過程（12.1 kWh）固氮的全球平均能源使用量（12.1 kWh/kg NH₃–N）,，銨的理論能量等于每人每天0.11~0.19 kWh（399~670 kJ）（見圖1）,。

銨大約占排放的身體廢物（銨加有機(jī)碳）中可利用的嵌入化學(xué)能的38%~48%。在考慮實施何種資源回收工藝時,，如果大部分銨能被回收（例如,，以生物甲烷的形式從有機(jī)碳中回收59%的能量是可行的），銨的含能不僅是嵌入能,，而且是可回收能,。如果銨以氣態(tài)氨（NH₃）的形式被回收，然后在CHP或燃料電池系統(tǒng)中就地燃燒,，則該能量22 MJ/kg NH₃的回收是完全可實現(xiàn)的,。

除了由于不回收銨而損失的嵌入能量外，傳統(tǒng)的硝化-反硝化過程是能源密集型的,，通常需要能量約2.6~6.2 kWh/(kg N),。同樣重要的是，反硝化需要額外的有機(jī)碳。當(dāng)厭氧氨氧化由于其自養(yǎng)而被實現(xiàn)時,，可以避免反硝化的假定能量損失,。然而，它仍然需要電力來滿足這個過程的氧氣需求,?？紤]到：（i）Haber-Bosch法從元素氮（N₂）中生產(chǎn)銨的能源需求；（ii）生物脫銨所需的氧氣需求,；以及（iii）反硝化過程中所消耗的COD中嵌入的能源,。很明顯，水務(wù)公司在實現(xiàn)其污水處理廠整體較低的能源足跡方面的一個關(guān)鍵方法是從主流中實現(xiàn)銨的節(jié)能回收,。

1.3

脫銨的環(huán)境限制

除了銨在生物轉(zhuǎn)化為N₂時所損失的大量能量外,，還有另一個主要缺點，即生成一氧化二氮,，是一種溫室氣體,，也是最主要的臭氧消耗物質(zhì)之一。N₂O生成機(jī)制復(fù)雜,，不同配置和操作參數(shù)的生物脫氮（BNR）系統(tǒng)中N₂O排放量有顯著差異,。

如圖2所示，全規(guī)?；钚晕勰嗵幚硌b置的N₂O排放量在總?cè)コ@的0.01%~6.6%,。雖然這些數(shù)值看起來很微小，但據(jù)估計,，生活污水處理產(chǎn)生的N₂O排放量約占整個城市水基礎(chǔ)設(shè)施總溫室氣體排放量的14%~26%,，占BNR工廠運(yùn)營二氧化碳排放量的83%。據(jù)估計,，與耗電量的2%~28%相比,，斯堪的納維亞廢水處理廠溫室氣體排放占碳足跡的44%~71%,。因此,，廢水處理中實現(xiàn)碳能源平衡需要顯著減少一氧化二氮排放。

如果氮可以直接以其反應(yīng)形式（即銨態(tài)）回收,，則可以完全防止N₂O排放,，從而大大降低污水處理廠的全球變暖潛能值（GWP）。近年來,，N₂O排放的外部性規(guī)模變得明顯,，每kg N₂O-N排放成本高達(dá)0.26~18歐元。這些外部性是與N₂O排放對社會造成的后果相關(guān)的負(fù)擔(dān),，而這些后果并未反映在化石燃料的價格中,，例如健康問題、糧食安全問題的增加和生態(tài)系統(tǒng)的破壞。雖然這些研究清楚地表明,，N₂O的環(huán)境外部性是顯著的,，但這些外部性尚未在決策過程和監(jiān)管指南中被正式考慮。

從廢水中回收銨的現(xiàn)有技術(shù)

在過去的幾十年中,，人們提出了幾種從廢水中回收銨的方法,，如表1所示。

廢水處理行業(yè)唯一普遍采用的技術(shù)是揮發(fā)（空氣或惰性氣體汽提）,，通常是以硫酸銨的形式回收,。只有在濃度高于2~3 g/L NH₄–N的情況下才真正可行，并且通常在經(jīng)濟(jì)上是不可行的,，除非用于溫度升高的能量是免費(fèi)的（通常加熱溫度為55°C）,。氨可以有效地沉淀為鳥糞石（其他的銨沉淀具有很高的溶解度），但鳥糞石只有6%的銨,，實際上是用來回收磷酸鹽的,。反滲透、電滲析和其他電化學(xué)過程取決于以銨為主要的陽離子,，但是通常也會濃縮其他陽離子（尤其是單價離子）,。如表1所示，在40~60 mg/L NH₄-N的低濃度下,，唯一顯示出可行性的銨回收技術(shù)（除了吸附）是微生物細(xì)胞的同化吸收（它回收生物量,，而不是銨）和反滲透（對銨是非選擇性的，需要大量的預(yù)處理）,。此外,，從各種廢水流中去除和回收銨的方法具有很大的成本。因此,，我們認(rèn)為生活污水中銨回收的關(guān)鍵在于提高氨氮的濃度到2~3g/L NH₄-N以上,，使上述氨氮回收技術(shù)具有成本效益。

在物理化學(xué)技術(shù)中,，吸附法有可能解決現(xiàn)有銨回收方法的局限性,。該工藝一個關(guān)鍵的優(yōu)勢在于適合并能有效地去除低初始濃度的銨。吸附的其他優(yōu)點包括：（i）它是一個相對簡單和快速的過程,，不需要任何啟動時間,；（ii）它不會產(chǎn)生污泥；（iii）一些吸附劑已知對銨具有高親和力和選擇性,；（iv）可以得到高濃度的,，所以也適合于銨的側(cè)流回收；（v）與廢水溫度無關(guān)的快速吸附動力學(xué)（在通常觀察到的生活廢水溫度范圍內(nèi),，8~35°C）,，后者使吸附特別適合較冷的氣候。

過去，大量的研究工作集中在低成本吸附劑的使用上,，天然沸石可以說是最常見的研究材料,。從技術(shù)上講，沸石可以通過多種方式進(jìn)行改性,，例如：（a）用NaCl預(yù)處理以提高離子交換容量和效率,；（b）加入磁性顆粒以增加吸附位點和磁性；（c）利用表面活性劑涂層進(jìn)行表面改性,；（d）合成具有一定孔徑和粒度分布的沸石,。為減少鹽需求，從離子交換過程中回收和再利用廢再生劑,。盡管有缺點,，但沸石能夠快速且不受溫度影響地去除很低濃度的銨，這意味著沸石工藝為開發(fā)新型的,、適合生活污水回收主流銨的吸附劑提供了良好的基礎(chǔ),。

開發(fā)專用吸附劑實現(xiàn)生活污水主流氨氮回收

為了便于應(yīng)用于生活污水，吸附劑不僅需要高選擇性和優(yōu)良的氨氮吸附性能,，而且還需要：（i）適合CSTR型反應(yīng)器 [如轉(zhuǎn)盤式反應(yīng)器,、活性污泥池、序批式反應(yīng)器（SBR）等,，而不是柱式反應(yīng)器] 的連續(xù)模式中運(yùn)行,，以便在現(xiàn)有的污水處理廠基礎(chǔ)設(shè)施中重新安裝；（ii）易于與廢水分離,；（iii）抗生物污染,；（iv）易于針對不同的表面化學(xué)進(jìn)行改性；（v）在不需要大量化學(xué)物質(zhì)的情況下,，在銨的釋放和吸附劑的再生方面高效且具有成本效益,。

考慮到上述所要求的特性，聚合物基材料具有特殊的意義,。根據(jù)官能團(tuán),，聚合物吸附劑可分為非離子型、陽離子型或陰離子型,；非離子交聯(lián)聚合物（如聚環(huán)氧乙烷）可作為凝膠排阻媒介,。另一方面,，離子交聯(lián)聚合物可用于選擇性結(jié)合有相反電荷的分子（即陽離子結(jié)合在陰離子聚合物上）無需離子置換（如沸石和離子交換樹脂）,，從而促進(jìn)目標(biāo)離子的結(jié)合。

聚合物吸附劑正在向高選擇性和高吸附容量方向發(fā)展,，希望具有較好的防污能力,，進(jìn)行可連續(xù)進(jìn)行的主流操作，以及聚合物吸附劑無需大量化學(xué)物質(zhì)的再生能力。

結(jié)論

為了找到一個長期可持續(xù)的人為氮循環(huán)解決方案,，我們顯然需要減少對用天然氣生產(chǎn)銨的能源密集型Haber-Bosch工藝的依賴,。未來幾年，人口增長和城市化正在推動新興經(jīng)濟(jì)體實現(xiàn)數(shù)千座新的污水處理廠,。根據(jù)聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)（SDG）目標(biāo)6.2（阿三視角 | 這個水行業(yè)大目標(biāo)你還不知道,？），該目標(biāo)致力于在2030年前實現(xiàn)“人人享有充分和公平的衛(wèi)生設(shè)施和個人衛(wèi)生,，并結(jié)束開放排便”,，預(yù)計未來幾年將新建1 000~15 000座污水處理廠。此外,，在歐洲,，許多廢水處理設(shè)施仍然需要遵守歐盟的處理指令，并且需要升級以實現(xiàn)足夠的養(yǎng)分去除,。這為新建污水處理廠向更可持續(xù)的技術(shù)過渡以及需要升級為資源回收設(shè)施的現(xiàn)有污水處理廠的改造提供了機(jī)會,。

推薦參考：

Cruz H, Law Y, Guest J S, et al. Mainstream ammonium recovery to advance sustainable urban wastewater management[J]. Environmental Science & Technology, 2019.

最新工程應(yīng)用于實踐匯編2019年第6期

本期所檢索文獻(xiàn)的發(fā)表時間范圍：

2019年7月20日~2019年9月20日

信息來源：《凈水技術(shù)》，僅供交流學(xué)習(xí),，不做商業(yè)用途

排版：王佳

校對：王佳,、黃如詩

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