为了提高水资源管理的可持续性，现在人们更多地将废水视为一种资源而非废物——一种水、植物养分和能源资源。
2011 年 7 月 12 日
斯坦福大学土木与环境工程系
Perry L. McCarty 教授
以“
Domestic Wastewater Treatment as a Net Energy Producer–Can This be Achieved?
”为题在
ES
&
T
上发表了一篇
FEATURE
。
主要讨论了从废水中的有机物和热能中获得能源。此外，利用废水中的氮和磷养分为植物施肥，而不是将其浪费掉，有助于抵消生产肥料的高能耗成本。微生物燃料电池能够将废水中的有机物直接生物转化为电能，但要使这一工艺与将废水中的有机物厌氧生物转化为沼气（一种用于发电的可再生燃料）相比具有竞争力，还需要进行重大改进。
以下是这篇文章的分享。
Perry L. McCarty 是斯坦福大学荣誉教授，环境生物技术研究的先驱。
他因在改善全球水质方面的开创性工作而获得无数奖项和荣誉（后面有机会再专门介绍一下
Perry L. McCarty 教授
）。
水、食物和能源是当今世界面临的三大资源问题。
为了帮助解决这些问题，现在人们更多地将生活废水视为一种资源（
一种水、能源和植物肥料养分——氮（N）和磷（P）的资源
）。将再生废水用于景观和农作物灌溉，甚至用于家庭消费，是一种广为接受且不断发展的做法，以节约用水并利用其中含有的肥料成分。同样，利用生活废水作为能源也由来已久，特别是通过厌氧将废水中的有机物转化为甲烷（CH
4
）气体，这是一种有用的生物燃料。然而，通过好氧废水处理结合厌氧污泥消化的传统做法，只能获取废水中的部分能源。溶解有机物的部分能量没有被回收，而是被需要大量能源的好氧工艺去除。因此，
采用传统方法处理废水所消耗的能量要多于通过消化所获得的能量。
为了更全面地回收生活废水中的三种重要资源，我们可以做些什么？在水资源供应有限的地方，
水的回用
已被广泛采用，但由于回用对水质的要求更高，这往往会增加处理所需的能源。
减少处理能源需求有助于抵消这一需求，特别是通过更有效地利用废水本身的生物燃料潜力。
降低废水处理的净能源需求是水回用的补充目标，而不是替代目标。养分回收也是如此。此外，与化石燃料消耗相关的气候变化问题，以及日益增长的能源成本，都要求我们更加努力地提高废水处理的效率，以更可持续的方式利用废水中的能源潜力。
虽然更有效地从废水中回收水和养分本身就是重要的目标，但本文的重点是如何更全面地回收废水中的能源。
废水处理约占美国电力负荷的 3%，与其他发达国家相似。采用好氧活性污泥处理和厌氧污泥消化技术的典型生活污水处理厂的能耗需求为 0.6
k
Wh/m
3
，其中约一半是为曝气池提供空气所需的电能。如果采用传统的好氧处理方法，利用厌氧消化过程中产生的 CH
4
沼气可以满足工厂四分之一到一半的能源需求，而对工厂进行其他改造则可以进一步大大降低能源需求。不过，
如果能收集更多废水中的潜在能源加以利用，甚至使用更少的能源用于废水处理，那么废水处理就可能成为净能源生产者，而不是能源消费者。
表 1 总结了生活废水与能源相关的三个特点：
废水中有机物所含的能源资源、生产等量的氮和磷肥料所需的外部化石燃料能源，以及可能从废水的热含量中获得的能源。
关于与氮和磷相关的能源，1990 年全球天然气产量的 7% 用于通过哈伯-博施工艺固定大气中的氮，以满足对氮的需求。从广义的环境角度来看，
直接将废水中的氮和磷用作肥料，而不是使用人造肥料，可以减少全球化石燃料的消耗。
为什么我们要花费能源来去除废水中的肥料元素，而不是通过将废水用于植物施肥来节约能源呢？
此外，
还可以从废水所含的热量中获取潜在的能量
，这些能量可以通过热泵进行低能耗利用，例如用于建筑物供暖，瑞典等冬季气候寒冷的地区有时会采用这种做法。热泵是利用电能供暖的一种有效方式，其工作原理类似于制冷装置。电能用于从热源——空气、地面或废水中提取热量，并将热量输送到需要的区域，如建筑物。热源变冷，建筑物变热。衡量能源效率的标准是性能系数 (COP)，即每单位用于驱动热泵压缩机的电能所传输热能的比率。典型值在 2-5 之间，常见的是 3-4。在温和的气候条件下，通常从空气中提取热量，但在寒冷的气候条件下，冬季的空气温度可能太低，不适合使用热泵。在这种情况下，地面或地下水，或者温度足够高的废水，都可以提供其他选择。
对于废水，只要最终温度足够高于冰点，就可以利用水温下降 6-10 °C 所产生的热能。
热泵的经济潜力在很大程度上取决于天然气或燃油等替代加热燃料的相对单位能源成本。如果可用的替代燃料比电费低得多，那么废水作为热泵能源的潜力就会降低。
废水中最直接、最常用、最有用的能源是有机物，以化学需氧量（COD）来衡量，它表示将有机物氧化成二氧化碳（CO
2
）和水（H
2
O）所需的氧气（O
2
）量。
表 1 将有机物分为溶解物和悬浮物，以及可生物降解和难降解两种。悬浮固体可在沉淀池中浓缩，产生的初级污泥经厌氧消化后产生
CH
4
，但只有可生物降解部分才会产生
CH
4
。通过热处理、化学处理或电处理，可对部分难降解部分进行调节，以提高生物降解和甲烷产量，但这样做的能源成本可能会抵消收益。焚烧等热处理工艺有可能从污泥的可生物降解部分和难降解部分提取能量。然而，除非含水率能降到 30% 以下，否则焚烧所需的能量要比燃烧产生的能量多。因此，热处理过程一般不会产生能量。
可溶性有机物部分不容易浓缩，因此需要采用能够处理停留时间短的稀释水流的处理工艺。在这方面，好氧处理工艺非常有效，尽管能源成本相对较高。节约能源的目标是采用一种既能捕捉溶解有机物中的潜在能量，又能有效达到污水排放标准的工艺。
一项重大挑战是如何获取生活污水中溶解有机成分的能源潜力，并在几乎不抵消能源消耗和成本的情况下做到这一点。
一种可能性是用二级厌氧处理取代二级好氧处理。另一种是不断发展的新方法，即微生物燃料电池（MFC），它可以直接通过生物转化将有机能转化为电能，这种方法有望实现比目前厌氧处理更有效的转化。在厌氧方法中，
CH
4
驱动的发动机被用来转动发电机发电。在这种方法中，只有大约 30-40% 的甲烷能量转化为电能，其余的转化为热能，这些热能可能有用，也可能没用。化学燃料电池提供了另一种利用甲烷发电的方法，也许能将转化效率提高到 50%。
一个重要的问题是，目前正在进行大量研究的 MFC 是否有可能达到或超过这样的转化效率，并且成本相当或更低？
我们有必要简要回顾一下每种方案。
在转换过程中总会损失一些能量。在对生活污水进行厌氧处理时，将高能量有机物（如碳水化合物）转化为低能量有机物
CH
4
的过程中会损失约 8% 的潜在能量。另外 7% 的能量损失来自于将部分有机物转化为进行反应所需的微生物细胞。废水处理本身并不是 100% 有效的，因此还会造成额外的损失，可能为 5%。
这些损失合计约为 19%，这意味着产生的
CH
4
只含有约 81% 的原始可生物降解有机能源潜力
。通过燃烧，只有约 35% 的
CH
4
能量可以转化为电能，其余 65% 则以热能的形式散发出去。因此，总的来说，这样产生的电能只包含可生物降解废水有机物中原有能量潜能的约 28%。如果提高发电效率或使用化学燃料电池，或许可以将这一比例提高到 40%。不过，
CH
4
燃烧产生的热量并不需要损失，而是可以用于建筑物供暖或其他用途。
MFC 也会造成能量损失，而且损失可能很大。发电量是电流和电池电压的乘积。首先是库仑损失，即废水中未转化为电流的有机物部分。这种损失可能与厌氧系统类似，微生物生长造成的损失为 7%，处理效率低下造成的损失为 5%，合计约为 12%。此外，还有电化学电位或电压的损失，即低于废水中有机物的理论值约 1.1 V。例如，如果 MFC 的有效电压是理论值的一半，即 0.55 V，那么将损失 50%的电势能。再加上库仑损失，从可溶性有机物到电能的能量转移将为 44%，虽然仍可能高于厌氧处理，但并不多。
然而，目前 MFC 的电压损失往往远远大于 50%。阳极的典型损耗为 0.1 V，阴极为 0.5 V，合计损耗为 0.6 V，超过理论值的一半。
(1电子通过电线的相关运动，特别是电极之间的离子传输，也会造成大量的电压损失，后者是电极之间距离的函数，在典型的废水中，距离约为 1 V/cm。
对 MFC 最乐观的预测来自对高
浓度
有机物和简单基质的研究。如果反应器中的有机物浓度较低，且废水处理效率较高，预计电压损失会更大。因此，要达到厌氧系统已经实用的发电效率，对 MFC 来说是一个巨大的挑战。此外，根据现有技术，一个 MFC 系统的成本估计是厌氧系统的 800 倍，这也是另一个重大挑战。
这些挑战和其他挑战表明，MFC 要想在厌氧废水处理发电方面具有竞争力，还需要一些重大突破。
对生活废水进行完全厌氧处理有可能实现净能源生产，同时达到严格的污水排放标准。
从相对低效的化粪池和伊姆霍夫池工艺开始，厌氧废水处理已有一百多年的历史。然而，在过去的 50 年里，人们开发出了更高效的厌氧工艺，并在 20 世纪 80 年代建议将其用于更全面地处理生活废水。从那时起，已经有许多全面直接厌氧处理生活废水的应用，特别是在巴西、哥伦比亚、墨西哥、埃及和印度等发展中国家，在这些国家，厌氧处理被认为是一种低成本的废水处理替代方法。
低温和低有机物浓度经常被认为是直接厌氧处理生活废水的障碍。然而，许多实验室研究表明，在温度低至 5 °C 和水力停留时间（HRT）仅为几小时的情况下，厌氧处理效果良好。目前厌氧反应器的生化需氧量（BOD）去除率预计在 70% 到 80% 之间，不足以满足严格的监管标准。由于上述原因和其他经验，人们普遍认为有必要对污水进行“精处理”或采用后处理步骤，以达到污水排放标准。不过，最近对厌氧膜式生物反应器的研究表明，精处理可在厌氧反应器内完成，同时提供悬浮固体和生化需氧量浓度较低的优质出水。
为高效厌氧处理生活废水而设计的系统应具备哪些特征？
与传统的活性污泥法相比，必须具有良好的处理效率和较低的成本。此外，
CH
4
是一种强大的温室气体，其全球升温潜能值约为 CO
2
的 25 倍，因此决不能让其释放到大气中。作为一种有用的生物燃料，
CH
4
应被捕获并用作可再生能源。为达到美国 BOD 和总悬浮固体 30 mg/L 的出水标准，系统设计应使每种物质的平均出水浓度达到 15 mg/L。图 1 展示了一个假设的厌氧处理系统，以说明此类处理的潜在结果。
该系统包括一个传统的初级沉淀池，以便在二级处理前去除可沉淀的悬浮物，并将产生的生物固体送入一个传统的厌氧消化池。出水随后进入二级厌氧膜生物反应器，该反应器可防止生物固体流失到出水中，从而保持足够高的固体停留时间（SRT），这是高效生物降解有机物所必需的。所示的最后一道工序是逆流空气分离装置，其目的是去除和利用溶解的
CH
4
，并向出水流中添加
O
2
。
目前，膜生物反应器被广泛用于好氧废水处理，因为与传统的好氧处理系统相比，膜生物反应器能够产生悬浮固体浓度低、占地面积小的高质量出水，但由于需要减少膜污垢，因此能耗较高。不过，使用一种新的厌氧反应器设计，即厌氧流化膜生物反应器（AFMBR），可能会大大降低膜的能源成本，该反应器结合了膜系统和厌氧流化床反应器（AFBR）。
厌氧流化床反应器包含颗粒介质，如颗粒活性炭（GAC），通过处理流体的上升速度悬浮在反应器中。废水处理由附着在介质上的生物膜完成。AFBR 对低浓度废水特别有效，因为它具有良好的传质特性，可以在几分钟到几小时的短停留时间内保留高浓度的活性微生物而不会被冲走，这是经济地厌氧处理低浓度废水的必要条件。通过将膜置于反应器内，悬浮介质沿膜的移动可减少污垢，而且能耗低。
在初步的 AFMBR 研究中，在反应
器停留时间为 5 小时的情况下，处理约 500 mg COD/L 的稀释废水时，运行反应器和流化所使用的 GAC 介质的总能耗为 0.058
k
Wh/m
3
废水处理量，约为典型好氧膜生物反应器所需能耗的十分之一。出水的化学需氧量为 7
mg/L
（去除率为 99%），悬浮固体小于 1
mg/L
。
虽然还有许多工作要做，以评估在环境条件下处理生活废水的效果，并优化性能，但厌氧生活废水处理的潜力已经得到证明，它可以产生能源，具有成本效益，并符合环境排放要求。
假定废水成分如表 1 所列，对厌氧生活污水处理与具有
污泥消化的
传统活性污泥系统相比的潜在效益进行了评估。图 2a 显示，在完全厌氧处理的情况下，
CH
4
产量比传统好氧处理翻了一番，能源产量大大超过了工厂运行所需的能源（图 2c）。厌氧生活污水处理可以成为净能源生产者。另一个显著优势是，厌氧处理产生的消化污泥量比好氧处理少得多（图 2b），这是另一个非常显著的成本和能源效益。
图 2 全厌氧处理与传统的污泥消化好氧处理每立方米废水产生的甲烷、污泥和能源的比较估算。(a) 一级污泥消化（蓝色）和二级处理（红色）的
CH
4
产量（STP）。(b) 一级处理（蓝色）和二级处理（红色）产生的消化污泥量。(c) 产生的沼气能源（蓝色）和整个污水处理过程中使用的能源（红色）。
尽管完全厌氧处理生活污水具有节约能源和成本的潜力，但仍有一些重要问题需要解决。
首先，出于对气候变化的考虑，不能让
CH
4
逃逸到大气中，而应将其收集起来并加以利用。
剥离
CH
4
所需的能量预计低于 0.05
k
Wh/m
3
，因为在好氧处理系统中，
CH
4
的转移量要比 O
2
少得多，而且两者的溶解度同样很低。由于其重要性，需要对这种捕集
CH
4
的成本和能效方法进行研究。一个需要更多关注的相关问题是硫酸盐（SO
4
2-
）还原成硫化物（S
2-
），硫化物会与
CH
4
生成竞争，并产生有毒和腐蚀性气体（H
2
S）。
另一个问题是去除废水中的营养物质，由于营养物质会对受纳水体产生不利的环境影响，因此要求去除营养物质的情况越来越多。
有许多方法可用于厌氧处理，如化学沉淀法去除 P 或将其转化为硬石膏（NH
4
MgPO
4
·6H
2
O）作为肥料回收。对于氮的去除，传统的硝化和反硝化方法不仅能耗高，还浪费了肥料潜力。能源消耗较少的方法是较新的 Anammox 过程，该过程用亚硝酸盐（NO
2-
）氧化氨（NH
3
），产生无害的 N
2
气体。这是一种低耗氧工艺，不需要有机物进行脱氮，而有机物最好转化为
CH
4
来生产能源。另一种旨在回收氮和磷养分的方法是对尿液进行源头分离，使其不成为生活废水的一部分，这种方法已在欧洲得到应用。尿液中含有大部分氮和磷养分，可以单独处理，回收养分用于肥料的成本较低。
在缺水地区，处理后的废水可用于农作物或景观灌溉，水和养分都可再利用，而且与需要反渗透的饮用水再利用相比，所需的能源要少得多。
与完全厌氧处理相结合，灌溉回用也许是充分利用废水资源潜力的最佳方法之一。
通过厌氧二级处理来降低城市污水处理的能耗和运营成本具有良好的潜力，值得进行更多的试点和基础研究，以更好地探索去除污水中甲烷的方案并优化处理。
虽然完全厌氧处理生活废水也许是目前最有可能获取废水中有机能源的方法，但将现有的传统好氧废水处理厂改造成厌氧设施可能成本高昂。
一旦积累了足够的经验，最好在新的处理系统中采用完全厌氧方法。与此同时，其他方法也可以帮助大幅降低供水和水处理的总体能源需求，更好地利用废水的总体资源潜力。通过更新能效低的设备、更好地控制曝气系统以只提供实际需要的氧气，以及使用能效更高的曝气扩散器，可以减少好氧废水处理系统的能源需求。缩短曝气池中的固体停留时间也可减少氧气和能源需求，将更多的废水有机物转化为生物固体，送入沼气池以增加
CH
4
的产生。此外，现在有许多热力、物理、化学和电学方法可提高生物固体的生物降解性，从而有可能减少总体能源需求。
要减少现有污水处理厂的外部能源需求，最可行的方法或许是通过使用热电联产系统（CHP），充分利用传统厌氧消化器产生的
CH
4
。
据美国环保署（EPA）估计，在美国运行的 16000 个城市污水处理设施中，约有 1000 个设施的总进水流量大于 19000
m
3
/day
，这一规模足以满足热电联产的要求。然而，这些设施中只有 544 个采用了厌氧消化技术，其中只有 106 个现在利用产生的沼气发电和/或提供热能。据环保局估计，如果所有 544 个已经采用厌氧消化技术的处理厂都采用热电联产技术，那么减少的能源将相当于减少约 43 万辆汽车的排放量。
生物能源生产潜力巨大。
另一个旨在提高系统能效的思路变化是采用分布式处理系统，而不是过去因规模经济而受到青睐的集中式处理系统。
集中式污水处理厂一般位于城市地区的下坡处，允许废水通过重力流向污水处理厂，而对再生废水的需求一般位于上坡处。这意味着将再生废水抽回需要的地区需要更多的能源。如果直接在缺水地区使用较小的分布式污水处理厂，则可以降低这些能源成本。洛杉矶县环卫区在上游社区设有卫星处理系统，将再生废水用于渗滤床，与生活用水的地下水混合。产生的生物固体通过下水道干管送往位于太平洋沿岸附近的集中式工厂，通过工厂内的热电联产系统产生的
CH
4
足以满足大部分能源需求。分布式处理系统甚至可用于小规模处理。位于纽约市曼哈顿岛哈德逊河附近的高档
Solaire
公寓大楼在地下室安装了自己的膜生物处理系统，每天回收 95
m
3
的公寓废水，用于灌溉屋顶花园、厕所和大楼冷却系统。多余的废水和生物固体被送往纽约市北河污水处理厂，用于生产沼气和能源。这样既有效地收集了废水能源，又减少了对城市供水系统的需求，同时也减轻了北河污水处理厂的负担。加利福尼亚州蒙特雷地区水污染控制厂位于一个盛产蔬菜但缺水的农业区，该厂利用厌氧处理和热电联产来满足其 50% 的能源需求。每天产生的 76,000
m
3
再生水被用于 4900 公顷的蔬菜作物，以满足其对灌溉水和植物营养的需求，因此废水的三种重要资源都得到了利用。这些例子很好地说明了，
除了利用废水的能源潜力外，还可以通过提高能效的方法来减少处理过程中的总体能源需求，同时获取废水中的水和肥料养分资源。
如今，人们越来越认识到努力提高水和废水处理系统可持续性的重要性。为此，进一步开发和广泛应用先进的处理系统（如厌氧膜生物反应器）是一个非常可取的目标，这些系统可以更好地捕捉废水中蕴含的全部能源以及水和营养资源的潜力。
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/es2014264
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