城市污水節能資源回收和再利用的有效創新方法
從厭氧處理系統到生物煉制的概念
01 作為生物煉制核心的厭氧模式的簡要演變
厭氧處理是發展可持續衛生的最有前景的處理技術之一，同時也是資源和能源回收的核心技術。上流式厭氧污泥床（UASB）在市政污水處理廠成功建立并得到了廣泛的認可，尤其是在廢水溫度通常高于20°C的熱帶和亞熱帶地區。后來，人們進一步開發了膨脹顆粒污泥床（EGSB），與UASB相比，EGSB增加了水力混合，增強了處理系統內的基質生物量相互作用。雖然成熟的UASB/EGSB結構大多滿足厭氧處理所需的要求，但由于顆粒崩解的不利條件，因此又將膜技術與厭氧處理結合起來，形成了AnMBR的發展。同時，利用污泥厭氧消化（AD）的熱電聯供（CHP）系統已成為現有能源自給型污水處理廠最常用的技術。根據生命周期比較，與傳統活性污泥加上AD相比，AnMBR技術可以產生更多的沼氣凈能量。AnMBR作為一種主線廢水處理工藝的主要優點是能夠回收廢水中的大部分能量，而不是目前的好氧厭氧處理只能回收部分能量。
02 厭氧工藝中的資源回收
2.1 污水處理方面
廢水厭氧處理過程中產生的沼氣可作為能源。然而，大量的CH4由于溶解在廢水中不能被回收，UASB等厭氧廢水處理工藝因液體上流速度低和混合不足而受到限制。
在城市污水價值化的概念中，兩步生物轉化是發酵反應器中一種有吸引力的替代路線。廢水中的復雜有機物在最終成為其他有價值的產品之前簡單地轉化為VFAs。這使得生物轉化機制分步優化成為更直接的生物生產過程。在此過程中，VFAs的濃度和種類通常決定最終產品的質量。
AnMBR已經成功作為處理城市污水的補充設施，其COD去除率高，出水能達到大部分回用的目的。但是，如果不進一步去除營養物質，通常無法將處理后的廢水排放到水環境中或進行再利用。在這方面，有人建議使用微藻從AnMBR廢水中去除營養物。此外，在歐盟LIFE項目MEMORY（life memory.eu）的背景下，介紹了浸沒式AnMBR（AD和膜技術的結合）。這種創新的試點實施為城市污水處理和資源回收提供了有前景的技術。
2.2 污泥處理方面
污水污泥管理是城市污水處理廠運營費用的主要組成部分。在大規模的污水處理廠中，污泥通常經過AD回收能源（富含甲烷的沼氣），從而在CHP下產生熱量和電能。將污泥作為其他增值工藝或者生物能源的原料的趨勢也越來越大。
污水處理廠是一個綜合過程，提取VFA將減少供給AD的有機物量，這最終將減少能量回收。在這方面，應精心設計和優化VFA生產和從污水污泥中提取的效益，以免影響CH4的回收。優化應著重于兩個主要準則：（1）發酵和提取過程的成本（主要投資和運營費用）以及VFA使用或銷售的進一步收益；（2）對CH4生成的影響。根據污水污泥產酸發酵過程中VFAs的選擇性生產，VFAs還具有較高的經濟價值。
WWTPs回收營養物可用于鳥糞/Ca-P沉淀或生物炭吸附實現，有研究認為應考慮采用替代的營養回收技術（即膜、電滲析）來提高回收營養的質量。結晶法回收磷還有其他一些好處，例如，產生的污泥體積以及其他不需要的沉淀物較少，最終降低了污泥處置成本。
生物聚合物是一組與石油塑料具有類似性質的聚合物，由可再生資源生產，也可由不同類型的細菌利用碳作為基質而產生。PHAs的主要優點是完全可生物降解和無毒。PHA儲存細菌常見于污水處理廠的活性污泥工藝中，它們將這些聚合物作為碳源和能源儲存。PHA回收是一種經濟上可持續的選擇。它描述了以下子過程：（1）纖維素一級污泥發酵，提高VFAs的產量，并以可溶性形式（即氨和磷酸鹽）釋放氮和磷；（2）發酵產物的固液分離，向污水污泥發酵液中加入Mg(OH)2形成鳥糞石利于沉淀；（3）銨在SBR中轉化為亞硝酸鹽；（4）通過交替改變好氧缺氧條件來驅動PHA作為碳源存儲在細菌內部，同時促進反硝化過程；（5）使用進料分批反應器進行PHA累積，以最大化獲得PHA。
城市污水中含有大量纖維素（占懸浮固體總量的30%~50%），纖維素作為一種可通過篩選從廢水中回收的資源具有巨大的潛力。纖維素脫水污泥的好處是：化學藥劑消耗減少，曝氣電耗較低，磷酸鹽釋放較少，污泥排放量大幅度減少，污泥處理和管理成本也隨之降低。纖維素回收將為污水處理廠的下游生物工藝增加效益，并用于污水處理廠下游與PHA混合，以及最終生物復合物生產的加工。
面向市場的技術
03 聚焦環境技術驗證和其他性能認證
在歐盟方面，創新環境技術幫助技術購買者識別符合其需求的創新。除了技術驗證外，還應使用特定的功能測試確定回收材料的特性，以便將回收產品與工業產品進行比較。與其他回收材料相比，磷酸鹽、生物炭和熱解材料的使用受到更多的控制和調節。因為來源不一致性和高變異性，常規生產中回收的PHA的性質表征還未明確。
04 回收材料到消費品/工業產品的價值化
有研究對從廢水中回收的材料進行了可持續性評估，涉及6個不同類別：經濟福利、資源消耗、環境和生物質量、技術福利、人類健康和社會福利。結果表明，從生產成本和市場價值來看，PHA和鳥糞石在經濟上是可行的。然而，PHA需要進行緊急和進一步的調查，因為它顯示出一些關鍵問題，這與生產階段有毒化合物的可能排放和市場對食品安全的看法有關。同樣，鳥糞石的利用也取決于具體應用和相關的立法，需要進一步評估。另一方面，在紙行業，纖維素回收和應用的可能性較小，因為需要額外的清潔步驟從而增加成本。
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