基于生物生态耦合的城市污水绿色再生利用_孙丰凯.pdf

61ENVIRONMENTAL PROTECTION Vol.51 No.06 2023引言水资源短缺和水环境污染是我国乃至全球面临的重大水安全问题。污水水量稳定、水质可控，是可靠的城镇第二水源，污水再生利用成为国家解决水资源安全问题的重要措施。近年来，我国高度重视污水处理，水污染防治成效显著，但污水再生利用尚处于初级阶段。当前，我国城镇再生水利用量约100亿m3，污水再生利用率仅约15%1。污水再生行业健康快速发展，工艺技术进步是基础，政策体系完善是保障。在技术方面，二级生物处理、混凝过滤等传统的污水处理与再生工艺往往重点关注碳、氮、磷等污染物去除效率，需消耗大量能源与药剂；同时，污水中大量的碳源是可以回收的生物质化学能，而污水中氮、磷等污染物也是可以回收的资源。近年来，随着能源和资源短缺问题的日益凸显，能耗低、可回收、环境友好的绿色污水再生工艺受到关注，如荷兰提出的“NEWs”框架，通过高负荷活性污泥法等工艺实现碳源的捕集回收，通过微藻培养等工艺实基于生物生态耦合的城市污水绿色再生利用*文/孙丰凯 张润泽 纪明德 庄林岚 刘华清 张建Green Recycling and Reuse of Urban Sewage Based on Bio-ecological Coupling Process摘 要 水资源短缺是制约我国高质量发展的突出瓶颈，污水再生利用是破解该问题的有效途径。传统的污水处理与再生工艺以污染物去除为导向，将污水中的碳、氮、磷作为污染物进行去除，该过程需消耗大量能源及药剂，且无法回收污水中的碳、氮、磷等资源。以资源回收为导向的生物生态耦合污水再生利用具有绿色、低碳等特点，是城市污水资源化的可行路径。本文综述了传统的基于污染物去除的污水再生工艺研究进展与问题，对基于资源回收的生物生态耦合绿色污水再生工艺进行了分析和展望，并从立法保障、模式优化及标准完善等方面提出了政策保障建议，为我国城市污水再生利用提供新的思路。关键词 污水再生利用；生物生态耦合；高负荷活性污泥；人工湿地；微藻培养现氮磷的回收2。在政策方面，我国现行的再生水回用法律位阶较低3，且存在再生水行政监管主体不明、职责交叉等问题，再生水利用保障机制有待强化。基于此，本文综述了以污染物去除为导向的传统污水再生工艺存在的问题，分析了以资源回收为导向的高负荷活性污泥法、人工湿地、微藻培养等生物与生态绿色再生工艺及其耦合工艺模式的发展现状，展望了污水绿色再生的未来研究方向，并从立法保障、利用模式优化、标准体系完善等方面提出政策保障建议，为城市污水绿色再生提供新的思路。基于污染物去除的污水再生利用城 市 污 水 再 生 工 艺 主 要 由 二级生物处理单元衔接物化深度处理单元的模式构成，如活性污泥法絮凝沉淀或离子交换，前者可去除污水中90%以上的化学需氧量（COD），后者用于强化除磷4。目前，大多数城镇污水处理厂生物处理单元仍采用传统的A/O、A2/O等工艺5，这些工艺对COD和磷具有良好的去除效果，而对氮的去除率较低。赵银慧等6调研了122家污水处理厂，发现约1/4的污水处理厂出水总氮不达标。此外，传统脱氮技术通常需外加碳源，导致运行成本增加。郑伟波等7计算了A2/O工艺的运行成本，发现外加碳源增加的吨水费用在0.270.52元。近年来，厌氧氨氧化、硫自养反硝化等新型生物脱氮技术日益受到重视，这些工艺虽然在一定程度上降低了运行成本，但其在本质上还是以去除污染物为核心，无法回收污水中的碳、氮、磷等资源。基于新型絮凝剂的化学强化一级处理8、絮凝超滤耦合9、超磁分离10等技术被应用到污水中碳捕集回收领域，其中，鸟粪石沉淀技术可实现污水中73%87%的磷与17%23%的氮资源的捕集回收11，磷酸铵镁结晶除磷技术可实现73.4%97.5%的磷资源的回收12。以上技术虽提高了资源回收效率，但仍存在能耗、药耗高，外加药剂产生二次污染等问题。*基金项目：国家杰出青年科学基金（51925803）；山东省重大科技创新工程项目（2019JZZY010411、2020CXGC011406）；国家重点研发计划项目（2021YFC3200602）DOI:10.14026/ki.0253-9705.2023.06.005业务62基于资源回收的污水绿色再生利用使污水从“废物处理对象”转变为“资源和能源载体”，实现水源、资源、能源的有效回收，是应对我国当前水环境污染、水资源短缺等问题的经济有效途径。本节围绕碳捕集、氮磷回收等能源和资源回收问题，对高负荷活性污泥生物碳捕集、人工湿地和微藻氮磷回收等污水绿色再生工艺的研究进展进行了分析。高负荷活性污泥碳生物捕集生活污水中蕴含丰富的能源，理论上COD浓度为500mg/L的生活污水所含潜在化学能高达1.93kWh/m313，然而，新加坡乌鲁班丹再生水厂的运行结果表明，传统活性污泥法仅可实现进水COD15%20%的甲烷化14。刘智晓等14分析认为，较低的碳源利用效率是活性污泥过多的氧化消耗（30%55%）以及剩余活性污泥较差的厌氧分解特性造成的。高负荷活性污泥法（High Rate Activated Sludge,HRAS）可达到更好的碳捕集效果，其在极高的污泥负荷F/M2gCOD/（gVSSd）、极 短 的 污 泥 停 留 时 间 S R T（0.52.0d）和水力停留时间HRT（0.54.0h）以及较低的溶解氧浓度DO（0.51.0mg/L）下运行，能够有效抑制污泥的生物降解作用，充分发挥污泥的生物吸附作用，将污水中的碳源更多地转移到污泥中，实现污水中碳源的富集回收。在Ji等15的研究中，HRAS的碳源矿化率降至21.8%，碳源捕集率提高至43.2%。研究表明，优化工艺运行参数可以提高HRAS的生物碳捕集效果，但仍有超过20%的碳源被矿化，碳源捕集率不足55%16-19。工艺运行参数的优化难以使HRAS进一步提高碳源捕集效果，对碳源更深入的认识将为提高碳源捕集率提供新的研究思路。Jimenez等17发现城市污水中三种不同粒径的碳源（颗粒态、胶体态、溶解态碳源）具有不同的吸附和沉降特性，不同粒径的碳源具有分类捕集回收的可行性。王宁等20基于不同粒径碳源分类捕集的理念，通过将传统HRAS中的吸附池与沉淀池倒置，构建了倒置高负荷活性污泥R-HRAS（Reversed High Rate Activated Sludge）工艺。该工艺首先通过前置沉淀池捕集以颗粒态为主的碳源，在提高后置吸附池活性污泥吸附能力的同时显著减少了工艺整体的矿化率，可实现10.4%的矿化率与56.6%的碳捕集率，证实了碳源分类捕集回收理念在HRAS工艺研发中的应用潜力，为进一步提高生物碳捕集率提供了新的思路。人工湿地氮磷生态回收人工湿地通过植物吸收、微生物降解、基质吸附等过程去除污水中的污染物，并通过收割植物回收污水中氮磷资源。当前，人工湿地多应用于处理污水处理厂尾水及受氮磷污染的地表水等，相关研究主要集中于强化基质功能和提升植物吸收能力方面21，而在资源回收方面的研究相对较少。Li等22通过制备湿地植物基生物炭作为表流人工湿地基质，发现生物炭在提供缓释碳源的同时为植物生长提供所需营养元素，植物生物量显著增加，植物吸收对氮的去除贡献高达78.8%，比对照组提升192.1%。芦 苇、香 蒲 等 湿 地 植 物 对氮（2 4.5 9 3.9 g N/m2）、磷（2.09.0gP/m2）累积量较高23-25。然而，累积量仅代表植物在有限生长周期内的自然吸收，而植物吸收利用污水中的氮磷用于自身生长，最终通过植物收割移出系统实现真正意义上的氮磷去除。因此，提升植物对氮磷的吸收能力是人工湿地污水资源回收重要的一环21。Ji等26将具有解磷和促进植物生长功能的植物根际促生菌引入人工湿地，在提升湿地植物生长潜力的同时优化了磷的迁移转化途径，加强了植物对生物可利用性磷的吸收，使磷的吸收转化率提升2.5倍。因此，未来应加强人工湿地氮磷生态回收过程中植物对氮磷吸收的性能，如通过添加外部菌剂、培育去污能力强的湿地植物等生物强化手段，提升人工湿地的氮磷回收功能。微藻氮磷生态回收微藻可用于市政污水及其二级处理出水等多种城市污水的净化再生。氮磷是微藻生长的必需元素，微藻的快速生长是污水中氮磷元素高效流向微藻细胞、实现氮磷资源回收的基础。多名研究人员实现了80%100%的氮磷微藻资源转化27，Osorio等28通过微藻处理污水实现氮磷近100%去除，可见微藻对污水深度脱氮除磷的巨大潜力。微藻氮磷资源回收的调控研究多从光照条件29、氮磷比30、元素存在形式31等方面着手，上述因素对微藻生长及其后续污水净化具有重要影响。虽然基于微藻的氮磷资源转化回收潜力巨大，但真正规模化应用仍面临较多瓶颈。由于微藻细胞微小，且均匀分散在液相中，在传统的微藻悬浮培养工艺中，通过离心、膜过滤等方式实现的微藻收获能耗占微藻培养全过程的30%左右。近年来，电浮选、生物絮凝32等悬浮微藻强化收获模式被提出。此外，微藻附着培养模式逐步兴起，以期通过微藻生物膜的刮取实现低能耗、低成本的微藻收获，由此突破传统微藻悬浮培养中藻水分离的难题。Zhuang等33构建了微63ENVIRONMENTAL PROTECTION Vol.51 No.06 2023藻悬浮附着混合培养模式，该模式能够充分结合微藻悬浮培养与附着培养的优点，将氮磷资源转化速率提升120%，运行成本降低30%。除藻水分离问题外，藻种的抗菌性能低、微藻胞外分泌物的潜在生态影响不明确等问题亦有待解决，这些问题的攻克将进一步推进基于微藻的污水氮磷资源回收技术应用。生物生态耦合城市污水绿色再生将高负荷活性污泥生物处理技术与人工湿地、微藻等生态净化技术耦合，实现资源回收的目的，可协同发挥高负荷活性污泥的碳回收技术优势、生态净化的氮磷回收技术经济优势，实现减污降碳协同增效。例如，厌氧/好氧生物段人工湿地生态段的主体架构，在较低的运行成本下出水水质达到一级A标准34；高效活性污泥法垂直潜流人工湿地联合工艺每去除1kg耗氧有机物（以COD计）可回收0.85kg干固体，有机碳富集效果显著且具更高的厌氧消化产能潜力35。Ji等15基于“水质净化能源产出碳减排贡献”关系研发了高负荷活性污泥法复合垂直潜流人工湿地的生物生态耦合工艺，通过碳管理优化污染物迁移转化的物质流动和能量流动，将进水中43.2%的碳通过生物吸附富集于剩余污泥中。其产能潜力达0.0901kWh/t，耦合系统的碳中和率达40.2%，且无需外加化学药剂，显著提升了能源回收能力并显著降低了碳排放强度（见表1）。以上生物湿地的耦合工艺模式在出水中仍有一定浓度的氮磷资源未被深度回收。鉴于微藻可较为彻底地同步吸收氮磷这一特性，Lu等36提出将高效藻塘串联在活性污泥法与人工湿地工艺末端，对污水中氮磷的去除效率分别提升25%和20%。由此可见，微藻作为深度回收氮磷资源的生态单元，可为生物生态耦合工艺资源回收提供有力保障。因此，高负荷活性污泥法耦合人工湿地、微藻培养的生物生态耦合工艺模式是未来污水低碳处理与绿色再生的方向。在再生水产出的同时，降低能耗、减少药耗，通过污泥生物吸附、植物吸收和微藻同化等过程将污水中待去除的碳、氮、磷尽可能转变为生物质资源，从而实现水源、资源、能源的高效耦合（见图1）15,36。污水再生利用保障政策法律法规是再生水行业健康发展的重要基础。目前我国现行的再生水回用法律位阶较低，国家层面至今并未出台针对再生水回用的专门性法规，仅在中华人民共和国水法中华人民共和国循环经济促进法中华人民共和国水污染防治法等中有少数宏观的规定。美国建立了中央与地方相互配合的立法体系，在美国环保局（EPA）发布的污水回用指南2012框架下，部分州细化或加严制定了各自再生水法规或指南，如加利福尼亚州制定了加州水法加州安全饮用水法等，促进了再生水利用37。澳大利亚以国家水质管理策略作为纲领，鼓励各州和地区制定各自的污水再生利用相关法律法规38。欧盟水回用法将再生水回用于农业灌溉提到欧盟法规的高度，有力保障了再生水回用农业灌溉的安全性39。下一步