污水资源化的几个方向详解：磷回收、污水热源泵、再生水

污水资源化的几个方向详解：磷回收、污水热源泵、再生水

开场（王红尘教授、明明杂言公众号）

1、废水资源化利用的重要性

2017年联合国水资源开发报告题为《污水：未开发的资源》，论证了污水资源化利用的必要性。 报告指出，人类产生的污水80%没有得到有效处理，污水应该是资源而不是负担。 废水资源化利用是一个需要抓住的机遇。 同时，在我国，淡水资源极其匮乏，污水的循环利用是解决问题的重要手段。

图1 《污水：未开发的资源》概要

《污水：未开发的资源》文档百度云：

百度云链接：

提取码：437q

2、污水资源化利用内容

王老师认为，污水资源化利用主要有两个部分：

首先是污水的回收利用。 水资源是污水中最重要的资源。 尤其是在我国淡水资源匮乏的情况下，对污水进行深度处理，确保水质达到回用标准，是我国实现可持续发展的关键。

二是污水中物质和能量的回收利用。 可从污水中回收的物质包括有机物质、无机营养物质和其他物质（如重金属）。

其中最有价值的是污水中有机物的回收。 王老师认为，污水中的有机物应该遵循如图2所示的转化路径，污水中的有机物最终会转化为腐殖质类物质，为田地施肥。 王老师指出，我们国家的农田现在面临着减产的问题。 主要原因是过度种植导致土壤中腐殖质大量消耗，而秸秆等农副产品的处理堵塞了有机质返回农田的途径，使腐殖质得不到利用。 补充。 因此，回收污水中的有机物并最终转化为腐殖质并进入农田是最有价值的利用方式。

图2 废水中有机物的转化途径

关于无机养分（氮、磷），王老师认为磷比氮有更高的回收价值。 原因是氮具有完整的生物地球化学循环途径和循环通量，污水中氮的回收意义不大； 而磷主要存在于液体和固体中，其在自然界的循环途径不完整，循环通量较小。 。 同时，王老师指出，污水中磷含量较高。 日本调查显示，污水中损失的磷可占日本进口磷的20%至30%。 磷的利用可与有机物的回收结合起来，随污泥进入农田。

图3 自然界的氮循环（图片来源网络，侵权删除）

图4 自然界中磷的循环（来源：中国数字科技馆，侵权删除）

至于剩下的物质，王老师认为，基于目前的技术水平和需求，它们没有太大的价值和意义。

回收利用污水中的能量主要有两种方式。 其中，目前广泛采用的方式是利用污泥厌氧硝化产生气体来发电和发热，从而以电能和热能的形式实现有机物中化学能的回收。 另一种方式是利用不同季节污水与环境温度的温差。 冬季污水温度比环境温度高10摄氏度左右，夏季污水温度比环境温度低10摄氏度左右。 这可以通过使用污水来实现。 水源为水源热泵。

水源热泵：水源热泵机组的工作原理是在夏季将建筑物内的热量转移到水源； 冬季，它从温度相对恒定的水源中提取能量，利用热泵原理，利用空气或水作为制冷剂来提高温度。 交付到大楼。 一般水源热泵消耗1kW的能量，用户可以获得4kW以上的热量或制冷量。 水源热泵克服了空气源热泵冬季室外换热器结霜等缺点，运行可靠性高，制热效率高。 近年来在中国得到广泛应用。 （李德英。《供热工程》：中国建筑工业出版社，2004年。）

图5 水源热泵冬季工作示意图（图片来源百度百科，侵权删除）

1、磷回收

磷是生物的重要组成元素，是植物生长的重要营养元素，也是造成水体富营养化的“元凶”之一。

No.1 磷矿储量：“危机”与否？

磷是农业肥料的重要元素，其主要来源是磷矿。 如图所示，根据美国地质调查局统计，截至2019年，全球磷矿探明储量约为690亿吨，2019年磷矿开采量约为2400万吨。 按照这一趋势，已探明的磷矿储量大概可以满足300年的使用。

图1 世界磷矿开采量及储量（单位：千吨）| 美国地质调查局

对于人类是否即将面临磷危机，学界有两种不同的看法。 例如，IFDC（国际化肥开发中心）地质学家范[1]认为，全球磷矿储量利用寿命大于300年，资源利用寿命大于1400年，并且随着发现新增矿藏，世界不会立即面临磷危机； 我国著名学者郝晓迪教授[2]在其《磷危机与磷回收技术概述》一书中指出，地球上可经济开采的无杂质磷矿仅够人类使用不到50年过去了，磷危机迫在眉睫。 。

但一个基本事实是，磷矿是不可再生资源。 与另一种重要养分氮相比，磷在自然界的循环极其“单调”：由于磷容易流失，陆地上的磷有很大一部分会通过径流进入湖泊和海洋； 在海洋中，磷元素会生物遗骸和粪便沉淀到海洋沉积物中。 与氮不同，磷很难挥发成气体，不能随大气循环和迁移。 因此，除了鸟类捕捉海鱼，然后以鸟粪的形式将磷带到陆地之外，几乎没有其他途径可以将磷从海洋大量转移到陆地。 至于海底的磷，只有发生重大变化，才能让这部分磷重新“重见天日”。

图2 自然界中的磷循环| 人与生态网络

由于磷的特殊性质，陆地上的磷矿只会越来越少地被利用。 笔者认为，即使现在磷矿资源充足，如果找不到有效的替代品，人类最终也将面临“磷危机”。 目前，从污水中回收磷是一个不错的选择。

No.2 废水中磷的回收技术及应用

在这篇文章中，笔者将介绍他感兴趣的三项技术，即鸟粪石沉淀技术、污泥焚烧灰回收技术、源头分离技术。

鸟粪石沉淀技术

鸟粪石是一种由鸟类和动物的粪便和遗骸积累形成的矿石。 主要成分为Mg(NH4)[PO4]·6H2O； 鸟粪石可直接用作缓释肥料[3]。 通过加入化学试剂，使污水中的氨和磷酸盐沉淀，形成鸟粪石。 这就是鸟粪石沉淀法。

图 3 鸟粪石 | 百度百科

这家加拿大公司是一家专门帮助污水处理厂实现养分回收和资源产品化的公司。 在磷回收方面，他们的Pearl工艺是独一无二的。 据称，该工艺可实现污水中高达85%的除磷率，还可降低污泥脱水消化液中40%的氨氮负荷（详细工艺介绍见附录）。 同时，公司还推出了以珍珠工艺生产的鸟粪石为原料的Green®磷肥。 这种磷肥可以长期稳定地释放植物根部的氮、磷、镁元素，同时可以防止雨水冲刷等因素造成的损失。 目前，该工艺已在全球最大的污水处理厂——美国芝加哥污水处理厂得到应用，并在北美和欧洲得到广泛应用。 [4]

图4 Creen® 牌鸟粪石肥料| 中国水网

污泥焚烧灰磷回收技术

现有污水处理厂的主要除磷措施是A2/O工艺。 活性污泥中的聚磷细菌在厌氧区释放磷，在好氧区吸收磷。 最后，污水中的大部分磷被富集。 收集到活性污泥中，实现污水除磷。 因此，污泥中的磷含量很高。 通过焚烧处理，污泥中的细菌、恶臭物质和有害有机物几乎被完全消灭，而磷以无机盐的形式保留在灰烬中。 灰烬处理后可用作磷肥。 该方法磷的回收率可达90%以上。

奥地利ASH DEC AG的灰磷回收工艺（以下简称ASH工艺）实现了污泥焚烧灰中磷的回收。 该方法用于德国联邦材料研究所（BAM）发起的SUSAN计划，该计划致力于利用热处理从污水污泥中回收营养物质（详细工艺介绍见附录）。 灰分工艺去除灰分中的重金属，并将灰分中的磷酸盐转化为可以被植物吸收和利用的形式。 最终产品就是公司生产的®多养分灰肥。 该肥料加工成本低，与从磷矿中提炼磷肥的成本相似。 是一种经济的磷回收手段。 目前该工艺专利已被芬兰奥图泰公司获得。 [5,6,7,8]

源头分离技术

源头分离是指将污染物与其来源分离。 对于磷来说，尿液是生活污水中磷的主要来源。 生活污水中磷含量约占总磷的50%，而尿液体积仅占2%左右。 直接从尿液中回收磷有以下主要优点：①尿液成分单一，回收效率高； ②与生活污水相比，尿液不含重金属，分离出的磷无需进行重金属处理； ③在回收磷的同时，尿液中的氮、钾等营养物质也可同时回收； ④源头分离后，生活污水中氮、磷浓度降低，减轻了污水处理厂的处理负荷。 [9]

早在20世纪90年代，德国研究机构就提出了“生态卫生系统”的概念，主张以家庭为基本控制点，对尿液、粪便等生活污水进行分类收集，实现水和养分的回收。 目前，该系统已在欧洲分散式家庭污染控制和资源利用中得到广泛应用。 [10]

图5 ECSON宣传海报| 德国技术合作公司

No.3 欧盟磷回收政策[11]

磷在欧洲非常稀缺。 据美国地质调查局统计，欧洲唯一富含磷的国家是芬兰（见图1）。

因此，在2018年新修订的《肥料管理条例》中，欧盟正式提出了回收磷生产磷肥的标准。 符合标准的回收材料可以作为产品进行流通。 新版条例实施后，可替代磷矿30%，进口量可减少600万吨。

磷回收在欧盟国家蓬勃发展。 从污水磷回收的角度出发，荷兰于2008年勾勒出污水处理厂作为养分回收厂的蓝图； 瑞士于2016年1月1日开始实施污水/污泥中磷的强制回收，建立磷元素闭路循环系统； 苏格兰推出“苏格兰零废物计划”，磷是该计划中第一个关键回收材料； 法国政府建立了“磷回收网络系统”，统筹磷回收及其产业发展； 德国环境部颁布《污水污泥法规改革修正案》，旨在回收污泥中的磷。

总体来看，欧盟等国家制定的一系列政策和规划不仅将为我国未来污水磷回收提供技术帮助，促进废水资源化回收的政策和创新绿色理念也将为我国的污水磷回收发挥作用。未来的污水处理。 具有指导和参考作用。

No.4 总结

总而言之，从废水中回收磷是必要的。 现在我国可能不需要像欧洲那样大张旗鼓地从各种废物中抢夺磷。 不过，考虑到磷是不可再生资源，未雨绸缪或许会更好，更何况我们已经有很多可以借鉴的例子。 但请为子孙后代保留颗粒状磷。

附录

珍珠技术[4]

Pearl工艺主要用于直接从污泥水中回收磷。 在流化床反应器中，通过加入氯化镁和氢氧化钠（调节反应器内的pH值在7.2～8.0之间），可以使MAP在反应器内沉淀出来。 处理后的污泥水自下而上流经反应池。 作为补充，部分污泥水在内部循环，产生流化效果。 为此，该处理工艺所需的反应器体积和相应的投资成本变得非常大。

MAP的长晶体，或者说MAP的大圆形颗粒的形成，是在反应器中的鸟粪石晶种的基础上形成的。 在流化床中，晶种不断与新沉淀的MAP接触并逐渐变大。 当晶体直径增长至6毫米时，颗粒因自重沉入反应器底部。 此时，MAP以产物的形式从装置中排出。 这些 MAP 产品随后还必须进行干燥。

图6 珍珠工艺| 中国水网

-灰磷回收工艺：

首先，向含磷污泥灰中添加氯化钙（CaCl2）和/或氯化镁（MgCl2），然后添加碳酸氢钠（）。 这些添加剂首先溶解在蒸馏水中，然后与灰分混合。 初始浆料含水量约为30%。 在流化炉中，将混合物在约1000℃的温度下热处理约20分钟。 此时重金属转化为相应的氯化物并挥发，然后进入后续的化学洗涤塔进行洗脱，分离出的有害物质继续进行处理。 加工。 新形成的固体物质中富集了清洁的高含量磷化合物，通过处理也显着提高了植物的吸收利用性能[5]。 目前，该公司对污泥焚烧工艺进行了诸多改进，并将该技术应用到多处，如瑞士苏黎世污泥焚烧厂、土耳其EREN Corlu生物质热点联产厂等[12] ]。

苏黎世州污泥焚烧工艺|

参考

[1] Van SJ, M, R. 摇滚世界……一个与故事[J]. 农作物，2013，97(3)：18-20。

[2] 郝晓迪，王崇臣，金文标。 磷危机与磷回收技术综述[M]. 高等教育出版社，2011。

[3]百度百科：%E9%B8%9F%E7%B2%AA%E7%9F%B3

[4]中国水网：深入| 废水资源化利用驱动可持续发展模式

[5]以磷回收为导向的德国城市污泥处置方向：

[6] M，Löh I，F.来自[J]。

[7] SUSAN - 以及安全重复使用：

[8]：世界资产[M]. ，2015。

[9] 郝晓迪，周健，张健． 源头分离的生态效应及其资源化利用技术[J]． 中国给排水，032（24）：20-27。

[10]陈宏斌教授：半集中式供水、排水及资源化利用系统的应用。

[11] 郝小迪，宋鑫，马克·范，姜瀚. 政策推动欧洲磷回收与再利用[J]. 中国给排水，2017, 33(08): 35-42.

[12]中国大气网：奥泰图的“环保之路”

2、污水热源泵

冬季取暖是一个永恒的话题。 我国北方城市普遍靠供暖，南方地区则注重“正气”。 取暖时不可避免地会发生燃烧。 近年来，华北地区冬季空气质量日益受到关注。 这也与大量燃烧化石燃料取暖有关。如果有新的热源能够替代部分燃料取暖，这个问题或许会得到缓解。

北京雾霾| 网易

接下来就是见证奇迹的时刻了

污水源热泵——一件有趣的事

污水源热泵本质上是水源热泵的一种。 水源热泵采用热泵原理，是通过少量高位电能输入，将水中低位热能转化为高位热能的技术[1]。 通俗地说，我们利用压缩机等电机来收集温度较低的水中的热量，并将这些热量传递给更少量的水，从而获得高温的水进行加热。 污水源热泵所使用的水源是污水。 冬季，生活污水的温度往往高于气温。 如果这些热量能够得到利用，生活污水将成为稳定的环保热源。

水源热泵|品牌网

接下来就让我们来了解一下吧

污水源热泵的优点和局限性

在笔者看来，污水源热泵最引人注目的特点就是实现了能源的多级利用。 什么是能源多层次利用？ 举个简单的例子，我们吃的香蕉只吃香蕉肉，丢弃香蕉皮。 从材质上看，香蕉皮起不到任何作用，甚至成为负担； 但如果我们发酵香蕉皮来制造肥料，那么香蕉皮就得到了很好的利用。 取暖器用来取暖房子的热量就像香蕉肉，污水中的热量就像香蕉皮。 如果我们找不到办法利用它，那么这些能量的最终归宿就会被浪费。 污水源热泵可以利用这部分热量。 通过这种方式，我们提高了化学燃烧所获得的热量的利用效率。

将污水源热泵应用到日常生活中仅仅为了实现更高的能源效率是不够的。 建设成本和经济效益也是需要考虑的方面。 评价成本和经济效益的一个重要指标是能效比（COP）。 能效比是指消耗单位电能所获得的热能。 例如，一级节能空调的COP标准大于等于3.4，则消耗1度电。 它可以获得3.4千瓦时的热量，大约足以在20摄氏度下煮沸72瓶500毫升矿泉水。 据国外学者研究[2]，污水源热泵的理论COP可达10.60。 直观地讲，获得相同热量，污水源热泵所消耗的能源比传统方式（如燃煤等）大约减少20%至30%[3]。

当然，污水源热泵仍存在一定的局限性，阻碍了其在我国的广泛应用。 未经处理的生活污水含有大量杂质，很容易造成管道腐蚀和堵塞。 因此，我国使用污水源热泵的地区大部分是污水处理厂或污水处理厂周边地区； 另外，污水源热泵设备的初期投资较高，获得正收益的时间较长。

腐蚀的管道| 图片来源网络

污水源泵的应用现状

日本是最早使用污水源热泵的国家之一。 在日本，污水厂不仅是污水处理厂，也是热源厂。 在日本，生活污水70%以上的热量得到了有效利用； 而在我国，污水源热泵的应用起步较晚，尚未大规模使用。 主要用于污水处理厂和一些大学实验楼。 好消息是，哈尔滨今年计划建设16座污水源热泵站，总供热面积2762.5万平方米[4]。

我们期待着能够大规模利用污水热源的那一天。 到时候，北方的天空可能会更蓝。

附录：

水源热泵工作原理介绍[5]：

水源热泵可分为三个部分：热量收集系统、能量改进系统和能量释放系统。

具有一定温度的水被收集到蒸发器中。 在蒸发器中，水中的热量被传递到能量增压系统中的热交换介质。 热交换介质从液态蒸发为气态。 之后，气态热交换介质被压缩机压缩。 它变成高温高压气体。 在冷凝器中，它将热量传递给能量释放系统管道中的放热介质（如水），使其升温，换热介质又凝结回液态。 整个过程实现低位热能转化为高位热能，达到加热的目的； 当需要冷却时，可以交换蒸发器和冷凝器的位置。 目前，更频繁地使用更方便的三通阀来实现制冷和制热转换。 有兴趣的读者可以自行查阅相关资料，这里不再赘述。

水源热泵工作原理| 慧聪网

参考

[1]百度百科：水源热泵

%E6%B0%B4%E6%BA%90%E7%83%AD%E6%B3%B5/#ref_[1]

[2] Arif、Emrah Biyik、Orhan Ekren 等。 热泵(WWSHP)的关键[J]. &，88（十二月）：700-722。

[3] 吴荣华. 城市原污水源热泵系统研究及工程应用[D]. 哈尔滨工业大学，2005。

[4]新浪网：主城区规划建设16座污水源热泵站，年供热2000万平方米以上。

[5]丁志军. 水源热泵原理及应用[J]. 安装，000(4)：25-28。

3、再生水

污水处理厂的饮用水

我们都知道

水是我们生活的必需品。这是生活中很常见的一杯水

当你口渴的时候，我相信你会毫不犹豫地喝下去

一杯干净的水| 图片来源网络

那么问题来了，如果这是一杯城市污水处理厂的再生水，你还能安心喝吗？

请看下图

污水处理厂的水| 图片来源网络

我知道你会拒绝，但是听了这些理由之后呢？

首先，再生饮用水绝对安全。 以新加坡的再生饮用水处理工艺为例，传统污水处理厂二级处理的出水首先经过细栅过滤器，进入微滤或超滤工艺单元去除细颗粒，然后进入反渗透用于去除细菌、病毒和大多数溶解盐的处理装置。

反渗透出水经过紫外线消毒，最终净化成“”。 这个过程与瓶装饮用水的处理过程几乎相同。 总之，再生饮用水是去除了污水中所有有害物质的纯净水。

新加坡加工流程图| 国际环保在线

第二

再生饮用水的味道与普通饮用水几乎相同。 加州大学的一个研究小组在 2018 年进行了盲味测试，参与者品尝了回收饮用水、自来水和商业瓶装水（事先未知），然后告诉研究人员每种水的味道如何。

研究结果表明，再生水的味道比自来水好，与商业瓶装水大致相同。 这可能是因为两者的制备过程相似[1]。也就是说，饮用再生水和矿泉水的体验是完全一样的，不会有什么区别

美国加利福尼亚州奥兰治县居民饮用再生水 | 山姆

最后，也是最重要的，我国严重缺乏淡水资源。 我们从小就被灌输节约用水的观念。 说到缺水，很多人只有一个抽象的概念。 例如，我国人均水资源占有量为2200立方米，位居世界第121位。 从侧面看，频发的“沉陷”事故是淡水资源匮乏的表现。 淡水资源短缺导致地下水超采，在城市下方形成巨大的地下水漏斗，导致地下水位受压下降，造成地面塌陷、地面沉降。 如果生活污水能严格处理后再回用，缺水问题是可以得到缓解的。

深圳“沉陷”| 中国新闻

什么？

听了这话，你还觉得不能接受再生水吗？

好吧其实我也能理解

因为说到再生饮用水，很多人的第一印象是这样的：

废水再生及饮用水| 来源

在视频《你喝水吗》中分析人们的心理，人们本能地抵制哪怕是轻微污染的食物。 这可能是人类进化出来的一种本能，因为它可以让我们避免吃可能毒害我们的东西。 脏东西[2]。

我们来看看国外是如何处理这个问题的。

新加坡是世界上淡水资源最稀缺的国家之一，80%以上的淡水资源依赖马来西亚进口。 这也促使新加坡回收生活污水。 为了让民众放心饮用再生水，新加坡政府将再生水命名为再生水。 总理吴作栋在2002年37国庆节上第一个喝了它，宣布未来新加坡人的饮用水将与自来水混合。 这些措施使得新加坡居民不再反对污水再生[3]。

总理吴作栋在公共场合喝它 | 国际环保在线

美国加利福尼亚州奥兰治县是地下水超采严重地区，地下水漏斗的形成导致海水入侵等严重问题。 1975年，橙县水管理局建造了“ 21世纪水厂”，这是世界上第一个使用膜处理的回收水厂。 他们使用经过处理的回收水为间接饮酒充电地下水。 它已成为世界上最大的污水净化项目，该项目间接使用回收的水作为饮用水和生态供应。 因此，它还赢得了2014年的“ Lee Kuan Yew Water Award” [4]。

“ 21世纪水厂”地下水充电系统| 中国水网

●我们相信

我相信，在不久的将来，我们很快就可以品尝“新的生命水”

参考报价：

1. 图片

水图：

废水处理厂的照片：

废水再生饮用水：

新加坡处理程序：

新加坡纽瓦特净水设备：

美国加利福尼亚州奥兰治县的居民喝回收的水：

深圳的沉降：

总理Goh Chok Tong在公开场合喝酒：

“ 21世纪水厂”地下水充电系统：

2. 参考文献：

[1] ：为什么您不能接受回收的水？

[2]：你会喝水吗？

[3]在线国际环境保护：新加坡的出生故事，这是一个建立了半个世纪以上的世界水技术创新品牌

[4]中国水网络：外国如何看待回收水？