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(fā)展可持續(xù)衛(wèi)生的最有前景的處理技術(shù)之一，同時也是資源和能源回收的核心技術(shù)。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(rèn)可，尤其是在廢水溫度通常高于20°C的熱帶和亞熱帶地區(qū)。后來，人們進(jìn)一步開發(fā)了膨脹顆粒污泥床（EGSB），與UASB相比，EGSB增加了水力混合，增強(qiáng)了處理系統(tǒng)內(nèi)的基質(zhì)生物量相互作用。雖然成熟的UASB/EGSB結(jié)構(gòu)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(shù)與厭氧處理結(jié)合起來，形成了AnMBR的發(fā)展。同時，利用污泥厭氧消化（AD）的熱電聯(lián)供（CHP）系統(tǒng)已成為現(xiàn)有能源自給型污水處理廠最常用的技術(shù)。根據(jù)生命周期比較，與傳統(tǒng)活性污泥加上AD相比，AnMBR技術(shù)可以產(chǎn)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(yōu)點(diǎn)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(chǎn)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(zhuǎn)化是發(fā)酵反應(yīng)器中一種有吸引力的替代路線。廢水中的復(fù)雜有機(jī)物在最終成為其他有價值的產(chǎn)品之前簡單地轉(zhuǎn)化為VFAs。這使得生物轉(zhuǎn)化機(jī)制分步優(yōu)化成為更直接的生物生產(chǎn)過程。在此過程中，VFAs的濃度和種類通常決定最終產(chǎn)品的質(zhì)量。

AnMBR已經(jīng)成功作為處理城市污水的補(bǔ)充設(shè)施，其COD去除率高，出水能達(dá)到大部分回用的目的。但是，如果不進(jìn)一步去除營養(yǎng)物質(zhì)，通常無法將處理后的廢水排放到水環(huán)境中或進(jìn)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(yǎng)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(shù)的結(jié)合）。這種創(chuàng)新的試點(diǎn)實(shí)施為城市污水處理和資源回收提供了有前景的技術(shù)。

2.2 污泥處理方面

污水污泥管理是城市污水處理廠運(yùn)營費(fèi)用的主要組成部分。在大規(guī)模的污水處理廠中，污泥通常經(jīng)過AD回收能源（富含甲烷的沼氣），從而在CHP下產(chǎn)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(jī)物量，這最終將減少能量回收。在這方面，應(yīng)精心設(shè)計和優(yōu)化VFA生產(chǎn)和從污水污泥中提取的效益，以免影響CH4的回收。優(yōu)化應(yīng)著重于兩個主要準(zhǔn)則：（1）發(fā)酵和提取過程的成本（主要投資和運(yùn)營費(fèi)用）以及VFA使用或銷售的進(jìn)一步收益；（2）對CH4生成的影響。根據(jù)污水污泥產(chǎn)酸發(fā)酵過程中VFAs的選擇性生產(chǎn)，VFAs還具有較高的經(jīng)濟(jì)價值。

WWTPs回收營養(yǎng)物可用于鳥糞/Ca-P沉淀或生物炭吸附實(shí)現(xiàn)，有研究認(rèn)為應(yīng)考慮采用替代的營養(yǎng)回收技術(shù)（即膜、電滲析）來提高回收營養(yǎng)的質(zhì)量。結(jié)晶法回收磷還有其他一些好處，例如，產(chǎn)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(zhì)的聚合物，由可再生資源生產(chǎn)，也可由不同類型的細(xì)菌利用碳作為基質(zhì)而產(chǎn)生。PHAs的主要優(yōu)點(diǎn)是完全可生物降解和無毒。PHA儲存細(xì)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(jīng)濟(jì)上可持續(xù)的選擇。它描述了以下子過程：（1）纖維素一級污泥發(fā)酵，提高VFAs的產(chǎn)量，并以可溶性形式（即氨和磷酸鹽）釋放氮和磷；（2）發(fā)酵產(chǎn)物的固液分離，向污水污泥發(fā)酵液中加入Mg(OH)2形成鳥糞石利于沉淀；（3）銨在SBR中轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽；（4）通過交替改變好氧缺氧條件來驅(qū)動PHA作為碳源存儲在細(xì)菌內(nèi)部，同時促進(jìn)反硝化過程；（5）使用進(jìn)料分批反應(yīng)器進(jìn)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(xué)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(fù)合物生產(chǎn)的加工。

面向市場的技術(shù)

03 聚焦環(huán)境技術(shù)驗(yàn)證和其他性能認(rèn)證

在歐盟方面，創(chuàng)新環(huán)境技術(shù)幫助技術(shù)購買者識別符合其需求的創(chuàng)新。除了技術(shù)驗(yàn)證外，還應(yīng)使用特定的功能測試確定回收材料的特性，以便將回收產(chǎn)品與工業(yè)產(chǎn)品進(jìn)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(diào)節(jié)。因?yàn)閬碓床灰恢滦院透咦儺愋裕Ｒ?guī)生產(chǎn)中回收的PHA的性質(zhì)表征還未明確。

04 回收材料到消費(fèi)品/工業(yè)產(chǎn)品的價值化

有研究對從廢水中回收的材料進(jìn)行了可持續(xù)性評估，涉及6個不同類別：經(jīng)濟(jì)福利、資源消耗、環(huán)境和生物質(zhì)量、技術(shù)福利、人類健康和社會福利。結(jié)果表明，從生產(chǎn)成本和市場價值來看，PHA和鳥糞石在經(jīng)濟(jì)上是可行的。然而，PHA需要進(jìn)行緊急和進(jìn)一步的調(diào)查，因?yàn)樗@示出一些關(guān)鍵問題，這與生產(chǎn)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(guān)。同樣，鳥糞石的利用也取決于具體應(yīng)用和相關(guān)的立法，需要進(jìn)一步評估。另一方面，在紙行業(yè)，纖維素回收和應(yīng)用的可能性較小，因?yàn)樾枰~外的清潔步驟從而增加成本。