Life-ANSWER 廢水處理系統(tǒng)

環(huán)保

Life-ANSWER 廢水處理系統(tǒng)

Life-ANSWER（Advanced Nutrient Solution With Electrochemical Recovery電化學(xué)法回收廢水中營養(yǎng)物質(zhì)的先進(jìn)解決方案）是一項(xiàng)創(chuàng)新性技術(shù)，將電絮凝與微生物電化學(xué)整合在一起，處理和再利用源于農(nóng)產(chǎn)品加工的工業(yè)廢水，并可產(chǎn)生豐富的沼氣（CH4+H2）和農(nóng)業(yè)用肥料。

歐洲食品行業(yè)消耗了整個(gè)水資源的1.8%。消耗大量的水的同時(shí)，無疑產(chǎn)生大量廢水，在其返回到自然環(huán)境之前，必須對它們采取適宜的處理工藝。啤酒行業(yè)每生產(chǎn)1千升啤酒大約會產(chǎn)生廢水4千升，其中大約2/3用于工藝，1/3用于刷洗。去除廢水中不想要成分和回收污水中的磷、氮、有機(jī)物等是主要目標(biāo)。歐盟2000/60/EU標(biāo)準(zhǔn)制定了保護(hù)水體和提高歐盟各成員國河流、湖泊和地下水資源利用的基本準(zhǔn)則。營養(yǎng)豐富的廢水在非受控情況下排放所引發(fā)的一個(gè)問題是富營養(yǎng)化，易引起水體中氧含量降低，由于環(huán)境中生物多樣化遭到破壞，導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境惡化。當(dāng)前，污水處理工廠去除這些成分所采用的傳統(tǒng)的處理系統(tǒng)在很大程度上是添加對環(huán)境有害的化學(xué)試劑和應(yīng)用生物系統(tǒng)，這就造成高的能源成本和高的碳足跡，限制了環(huán)境的友好性。舉例來說，好氧處理需消耗1.5～2.5 kWh的電能來去除1 kg的生化需氧量BOD。

Life-ANSWER工程于2016年9月提出，得到了歐盟的大力支持，并列入LIFE框架體系（LIFE 15 ENV/ES/000591）?？傤A(yù)算為97.34萬EUR，貓牌生力啤酒（Mahou San Miguel）集團(tuán)和西班牙奧科利雅水務(wù)Aqualia出資其中大約60%。前者是西班牙主要的啤酒生產(chǎn)商之一，其位于西班牙Alovera城瓜薩拉哈拉生產(chǎn)工廠作為污水處理設(shè)備試點(diǎn)。后者是西班牙一家水資源管理部門。阿爾卡拉大學(xué)UAH生物電化學(xué)研究小組提供金屬廢料。

表1：啤酒廢水的理化參數(shù)

項(xiàng)目為酒、飲料等農(nóng)產(chǎn)品加工行業(yè)提供一個(gè)先進(jìn)的廢水處理解決方案。這些廢水中包含高濃度的營養(yǎng)物質(zhì)（尤其是氮和磷）以及高的有機(jī)負(fù)荷，見表1。工藝集成了兩個(gè)主要單元，一個(gè)是電絮凝系統(tǒng)（循環(huán)再利用金屬廢料作為絮凝劑的來源），另一個(gè)是創(chuàng)新性的厭氧處理技術(shù)，包括用于有效凈化和沼氣產(chǎn)生最大化的微生物電化學(xué)裝置。另外，處理后的廢水通過超濾和UV消毒后產(chǎn)生符合皇家法令1620/2007要求的廢水標(biāo)準(zhǔn)，重復(fù)利用。項(xiàng)目需符合歐盟統(tǒng)一路線圖制定的歐盟2020年能源新戰(zhàn)略。還有一個(gè)雄心勃勃的目標(biāo)，獲得約2.5 kWh/m3的能量。項(xiàng)目從2018年開始在瓜薩拉哈拉工廠作試驗(yàn)。結(jié)果表明，降低了通常用于去除營養(yǎng)物質(zhì)所使用的藥劑的消耗；產(chǎn)生了高質(zhì)量的可回用廢水；產(chǎn)生了豐富的沼氣；獲得了氮磷含量高的污泥，可安全地用作農(nóng)業(yè)肥料。

為了解決試驗(yàn)裝置廢水處理工藝的規(guī)模問題，有必要進(jìn)行試驗(yàn)室規(guī)模和預(yù)測試來優(yōu)化工藝操作環(huán)境，并在ANSWER試驗(yàn)工程中最大限度地提高該技術(shù)的處理能力。試驗(yàn)設(shè)備被設(shè)計(jì)并按照圖1所示流程圖安裝。廢水處理過程包含兩個(gè)基本部分：電絮凝裝置EC和生物電化學(xué)流化床反應(yīng)器FBBR（bioelectrogenic fluidised bed reactor）。

第1階段采用顆粒狀的再生鋁通過電絮凝法處理，去除污染物并生成肥料。

第2階段通過生物電厭氧反應(yīng)器將有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)換成富集的沼氣（高濃度的甲烷和氫氣）。

第3階段經(jīng)過基于超濾和光消毒UV三級處理工藝滿足廢水再利用和零排放要求。

電絮凝裝置，其處理能力為10 m3/h，由多個(gè)串聯(lián)電極模塊組成。負(fù)極（陰極）設(shè)計(jì)用不銹鋼材質(zhì)，正電極（犧牲陽極）是由鋁屑顆粒緊壓在一起制成，它源于最初被認(rèn)為是鋁廢料（如廢容器、廢易拉罐等）的回收再利用。這三個(gè)連續(xù)的階段發(fā)生在廢水處理過程中。通過對廢水處理系統(tǒng)施加電流密度，犧牲鋁電極電解氧化形成絮凝，然后釋放到廢水中，引起污染顆粒（非溶性磷和氮及懸浮物）的不穩(wěn)定，最終形成團(tuán)狀絮凝物，由于重力作用，絮凝物沉淀或被陰極釋放的氫氣泡拖向廢水表面。這些絮凝物將成為污泥的一部分，析出后干燥，由于含有豐富的磷和氮成分，可用作農(nóng)業(yè)肥料。由電絮凝裝置處理后的廢水隨后通過厭氧生物流化床反應(yīng)器進(jìn)行處理。

FBBR系統(tǒng)的概念就是“流化床生物反應(yīng)器處理廢水方法”，并獲得專利，由西班牙奧科利雅水務(wù)Aqualia和阿爾卡拉大學(xué)UAH生物電學(xué)研究小組在ITACA項(xiàng)目框架內(nèi)共同開發(fā)。該系統(tǒng)包含一個(gè)微生物電化學(xué)單元，其中的生物電化學(xué)過程可促進(jìn)有機(jī)物的轉(zhuǎn)化。

這種技術(shù)是基于電活性細(xì)菌與流態(tài)化顆粒導(dǎo)電材料之間的相互作用。這些流態(tài)化的顆?？梢员晃⑸镉么蠹s10μm厚的生物膜所包圍，正如以前在試驗(yàn)室規(guī)模所獲得的結(jié)果。有機(jī)物被氧化，由此產(chǎn)生的電子被轉(zhuǎn)移到陽極上（碳質(zhì)材料顆粒），產(chǎn)生從陽極到陰極的電子循環(huán)，并在這里產(chǎn)生氫氣。有機(jī)物質(zhì)氧化的另一種物質(zhì)是甲烷，它與氫氣收集到一起獲得沼氣，具有很高的熱值，可用于啤酒工廠現(xiàn)有的沼氣鍋爐中燃燒產(chǎn)生熱量。

無論是試驗(yàn)室規(guī)模還是工業(yè)化規(guī)模，項(xiàng)目所獲得的結(jié)果均非常滿意，見圖2、圖3。應(yīng)強(qiáng)調(diào)地是：與食品和飲料工業(yè)所應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)化廢水處理技術(shù)相比，ANSWER工程項(xiàng)目所采用的技術(shù)可使廢水處理成本降低30%。

采用再生鋁電絮凝工藝EC可有效去除58%的磷、40%的氮和70%的懸浮沉淀物，見圖4所示。這些數(shù)字姑且認(rèn)為是在再生鋁電絮凝工藝最佳化運(yùn)行條件下獲得的。經(jīng)測定最低的能源消耗為j=2.5 mA cm-2。另外，陽極的設(shè)計(jì)便于很容易地替換反應(yīng)中所消耗的鋁，從而避免了復(fù)雜的組裝。工廠經(jīng)過9個(gè)月運(yùn)行所獲得結(jié)果前景很好。這種創(chuàng)新性系統(tǒng)當(dāng)前成就的有機(jī)物去除率超過90%。其結(jié)果，與傳統(tǒng)的厭氧顆粒污泥反應(yīng)器相比，污泥的產(chǎn)生量降低，沼氣的熱值提升了10%。在再生鋁電絮凝工藝中剩余的營養(yǎng)物也在厭氧反應(yīng)器中被有效地去除（大約80%）。通過這種方式，可獲得所要求的污水排放濃度或污水再利用濃度，見圖5。該項(xiàng)技術(shù)另一個(gè)積極的方面已經(jīng)證實(shí)：在FBBR運(yùn)行期間，生成的能源比系統(tǒng)消耗的能源高21%。系統(tǒng)根據(jù)能源的消耗及運(yùn)行成本代表了技術(shù)上的突破，對污水處理工藝具有積極的影響。這些結(jié)果使我們得出結(jié)論：FBBR系統(tǒng)提供了一項(xiàng)技術(shù)上的解決方案，它可以用生產(chǎn)的凈能源凈化污水，并產(chǎn)生極其少量的污泥。該工程項(xiàng)目的關(guān)鍵環(huán)境因素之一是實(shí)現(xiàn)了技術(shù)方案的正能量平衡。擬使用系統(tǒng)低的能源消耗和氫氣及甲烷的產(chǎn)生（見圖5）代表著水行業(yè)的重大進(jìn)步，提供了切實(shí)可行的解決方案，在水管理方面促進(jìn)了可持續(xù)發(fā)展和循環(huán)經(jīng)濟(jì)新舉措。

該項(xiàng)技術(shù)可降低化學(xué)品的使用。污水處理廠一級處理中所使用的具有絮凝功能的化學(xué)品可在電絮凝聚中用再生鋁替代。農(nóng)業(yè)用肥料可被污水處理過程結(jié)束時(shí)獲得的高磷和高氮含量的污泥所替代。另一方面的益處是節(jié)約用水，因?yàn)槲鬯?jīng)過三級處理后可以再利用。伴隨著能源從廢水中的回收，溫室氣體排放的降低，這樣能源消耗降低25%。

Life-ANSWER工程經(jīng)證實(shí)是一項(xiàng)創(chuàng)新性技術(shù)，通過根據(jù)實(shí)際環(huán)境條件下的優(yōu)化，可提高工業(yè)廢水的質(zhì)量和環(huán)境效益。

Life-ANSWER wastewater treatment system

西班牙科技部供稿