對生活和工業(yè)廢水進(jìn)行適當(dāng)處理并進(jìn)行飲用、灌溉等再利用，其成本是昂貴的。僅處理來自烹飪、洗滌、清潔和衛(wèi)生的家庭灰水，就要占據(jù)全球3%的電力消耗，并釋放全球5%的非二氧化碳溫室氣體排放(主要是甲烷)。
工業(yè)廢水的處理成本更高。隨著世界人口的增長，發(fā)展中國家逐漸執(zhí)行更嚴(yán)格的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，這些成本將在未來十年繼續(xù)增加。如果能從廢水中捕獲有價(jià)值的化學(xué)品，包括碳、氮和磷，將能回收一些經(jīng)濟(jì)成本。例如，污水處理廠可以利用甲烷產(chǎn)生電力而不是單純消耗它。采用新興技術(shù)可以有效回收磷肥和銨肥料。
但是，是什么阻礙了“廢水資源工廠”的建立?工藝不確定性、哪些技術(shù)是最有用的，以及如何進(jìn)行技術(shù)組合，都可能成為前進(jìn)道路上的絆腳石。本文概述了對生活污水中的污染物進(jìn)行回收再利用的方案，如何將如今每年需花費(fèi)數(shù)百萬美元的污水處理廠搖身一變?yōu)槊磕戤a(chǎn)值超過100萬美元的能源大戶。如果能將類似的方案應(yīng)用于更多樣化的工業(yè)廢水，將會帶來更多的好處。
廢水中的價(jià)值
生活污水中有我們?nèi)粘Ｉ町a(chǎn)生的各種廢棄物，糞便、脂肪、食物殘?jiān)⑾礈靹┖退幬铩Ｔ诨瘜W(xué)方面，1立方米的生活廢水含有300～600g COD，40～60g氮(以銨和有機(jī)化合物的形式)，5～20g磷(磷酸鹽和有機(jī)化合物)，10～20g硫(主要是硫酸鹽)和痕量的重金屬離子。
在過去的一個世紀(jì)，大部分生活廢水都使用好氧的“活性污泥法”進(jìn)行處理，在氧氣和細(xì)菌的共同作用下，氧化污染物,這種方法簡單，對除去有機(jī)化合物、氮和磷有效。但活性污泥法消耗巨大的能源，并釋放碳足跡。一個10萬噸/天的中型的污水處理廠消耗的電力與中國城鎮(zhèn)5000人(每立方米廢水約0.6KWh)相當(dāng)，并且每天的碳足跡相當(dāng)于6000輛家用汽車的二氧化碳排放量。
最關(guān)鍵的是，廢水中有機(jī)物所含的能量被大量浪費(fèi)，氮和磷都是制造肥料的原材料。通過加入鈣、鐵或鋁鹽沉淀，90%的磷最終掩埋在填埋場中，這種沉淀物不能被植物吸收，并且經(jīng)常還受到有毒金屬污染。同樣，超過80%的氮通過微生物轉(zhuǎn)化為氮?dú)舛鴵p失。該過程還產(chǎn)生大量的“濕污泥”(5～10千克每立方米處理水)。干燥和處置(在陸地或填埋場)或焚燒這些污泥占處理設(shè)施總成本的30～50%。
一些污水廠對污泥進(jìn)行厭氧消化。在缺氧的情況下，微生物將復(fù)雜的有機(jī)物質(zhì)分解成更簡單的有機(jī)分子，然后將其轉(zhuǎn)化為甲烷。通過燃燒甲烷以產(chǎn)生電和熱，厭氧消化可抵消活性污泥法20~30%的能量和溫室氣體成本。但消化過程緩慢，通常需要10～20天。
新興工藝的發(fā)展
將厭氧工藝直接應(yīng)用于生活廢水可以完全逆轉(zhuǎn)這些成本，甚至產(chǎn)生過量的能量，但是目前在環(huán)境溫度和低濃度的有機(jī)物下，厭氧工藝是不適用的。兩種新技術(shù)正在嘗試進(jìn)行這方面的突破。第一種技術(shù)是厭氧膜生物反應(yīng)器(AnMBR)。它使用多孔膜來滯留和濃縮固體(包括顆粒有機(jī)物質(zhì)和產(chǎn)生甲烷氣體的緩慢生長的微生物)和污水中90%以上的溶解有機(jī)物。通過延長材料的降解時間，每立方米污水可產(chǎn)生25～100%的甲烷。然后，可以通過氣體或真空技術(shù)對90%以上的溶解態(tài)甲烷進(jìn)行提取(濃度為10～20毫克/升)，整個過程的耗能僅需要0.05KWh/m3。
AnMBR技術(shù)已在幾個案例中成功用于生活污水處理。韓國富川污水處理廠已經(jīng)運(yùn)行了2年多，日處理量為12立方米。將AnMBR技術(shù)進(jìn)行大規(guī)模工程化應(yīng)用的最大挑戰(zhàn)是“膜堵塞”或“膜污染”。使用氣泡或流化顆粒活性炭沖洗膜表面，需要耗能0.2~0.6KWh/m3，基本與活性污泥法的能耗相當(dāng)。
第二種技術(shù)是微生物電化學(xué)電池(MXC)，其以微生物燃料電池的模式直接產(chǎn)生電力，或者在微生物電解電池中產(chǎn)生富含能量的化學(xué)物質(zhì)，例如氫氣。MXCs利用一些細(xì)菌的能力，當(dāng)它們代謝有機(jī)物質(zhì)時，通過其細(xì)胞膜將電子轉(zhuǎn)移到外部的受體。如果傳遞到燃料電池的陽極，則電子可以傳遞電流。
MXC的產(chǎn)品——電或氫氣——比甲烷更有價(jià)值，并且易于使用。但所涉及的反應(yīng)過程緩慢(需要幾天)。一個提議是將MXC與AnMBR集成，以加速有機(jī)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，同時產(chǎn)生甲烷和電或氫。
但是目前的MXC在工程化應(yīng)用上表現(xiàn)不佳。擴(kuò)大或堆疊多個單元增加了它們的電阻并降低了可以回收能量的效率。據(jù)報(bào)道，英國Howdon的一個120升微生物電解池盒，其回收的電能輸入不到氫氣的一半;另一個安裝在中國哈爾濱的250升微生物燃料電池單元，只能將有機(jī)物質(zhì)中7%的能量轉(zhuǎn)化為電能。