污水處理熱力學(xué)解析向資源/能源回收方向轉(zhuǎn)變

作者：鴻泰華瑞 發(fā)表于：2022-06-09 09:18:13更新于： 2022-06-26 03:10:32

李老師 鴻泰華瑞工程師

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污水會導(dǎo)致環(huán)境熵增，傳統(tǒng)污水處理會加劇熵增。資源 能源回收可有效延緩熵增并促進逆熵增。污水中有機物轉(zhuǎn)化不應(yīng)經(jīng)厭氧消化產(chǎn)

　　污水會導(dǎo)致環(huán)境熵增，傳統(tǒng)污水處理會加劇熵增。

　　資源/能源回收可有效延緩熵增并促進逆熵增。

　　污水中有機物轉(zhuǎn)化不應(yīng)經(jīng)厭氧消化產(chǎn)甲烷(高熵物質(zhì))，需轉(zhuǎn)向回收高值、低熵有機物。

　　污水能源回收應(yīng)聚焦出水余溫?zé)崮?，熱能外輸或低溫干化污泥后焚燒?/p>

　　不應(yīng)發(fā)展不可降解、不能回收再利用的除污合成材料。

　　[圖文摘要]

　　[研究背景]

　　熵(Entropy)是熱力學(xué)中的一種抽象概念，可被用以描述一個封閉系統(tǒng)自發(fā)陷入無序乃至崩潰的趨勢，即，是對系統(tǒng)混亂度或不可用度的度量。對于地球及其生態(tài)系統(tǒng)來說，得幸于太陽能所賦予的逆熵增(Negentropy)助力，物質(zhì)再生(例如，光合作用、礦物富集、沉積和礦化等)可有效避免或延緩系統(tǒng)過度熵增，維系地球生命延續(xù)。顯然，地球及其生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定需要熵增-逆熵增保持相對平衡。

　　近年來，熵的概念已被應(yīng)用于環(huán)境質(zhì)量評估、微生物學(xué)探究、新興材料研發(fā)及其機械設(shè)計等領(lǐng)域。而在環(huán)境相關(guān)領(lǐng)域，逆熵增則被作為描述系統(tǒng)可持續(xù)性(Sustainability)的指標(biāo)。

　　宏觀上，文明程度不斷進步為人類帶來了舒適與高尚的生活方式;同時，現(xiàn)代文明也使得自然資源和能源被過度消耗。這就直接加劇了生態(tài)系統(tǒng)的熵增，破壞了生態(tài)平衡。作為人類排放的污染物，污水也是這一過程中的熵增因素。因此，從熵角度對污水及其處理技術(shù)進行分析是可行、且具有指導(dǎo)意義的。

　　實際上，污水生物處理(包括好氧和厭氧過程)是基于仿生學(xué)的一種形式。它通過增加曝氣、混合與碳源/藥劑等來強化凈水能力。然而，因額外能量與物質(zhì)消耗，反倒加劇了系統(tǒng)熵增，即，“以能消能”和“污染轉(zhuǎn)嫁”現(xiàn)象持續(xù)發(fā)生。例如，傳統(tǒng)污水處理(Conventional Wastewater Treatment, CWWT)側(cè)重于去除污水中有機物(COD)、氮(N)和磷(P)，但在處理過程中往往使得潛在有機能量和營養(yǎng)物質(zhì)被破壞并浪費，大大降低這些物質(zhì)再生循環(huán)的可持續(xù)性。因此，傳統(tǒng)污水處理實際上是一個加劇熵增(物質(zhì)/元素衰敗)、且延緩逆熵增(物質(zhì)/元素再生)過程。與此同時，污水處理系統(tǒng)熵增將不可避免地導(dǎo)致環(huán)境退化和資源枯竭。

　　正因如此，發(fā)展可持續(xù)污水處理(Sustainable Wastewater Treatment, SWWT)去降低、甚至避免污水處理熵增風(fēng)險是實現(xiàn)碳中和與資源回收的必由之路。那么應(yīng)該如何實現(xiàn)可持續(xù)污水處理?或許從熵的角度能夠獲得答案。

　　該項研究成果剛在線發(fā)表于《Water research》雜志Making Waves(掀浪)(一區(qū)SCI，IF=11.236)。

　　[污水處理與熵增]

　　如前所述，污水處理是一個熵增過程。其主要體現(xiàn)在：

　　i)物質(zhì)層面，進水中大多數(shù)有機物(碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪等低熵物質(zhì))逐步分解為大量無組織小分子無機物(CO2、H2O等高熵物質(zhì));

　　ii)能量層面，有機物中高品位能量被微生物攝取、利用而轉(zhuǎn)化為低品位能量，大大降低了該物質(zhì)的可利用度。

　　宏觀上，這就是微生物不斷耗散能量并形成新的生物質(zhì)并維系復(fù)雜細胞系統(tǒng)的新陳代謝過程。

　　然而，若不涉及資源與能源回收，微生物新陳代謝實際上是將污水中大量低熵物質(zhì)轉(zhuǎn)化為相對穩(wěn)定的高熵物質(zhì)過程。若涉及額外物質(zhì)/能量消耗，則會進一步加劇系統(tǒng)熵增，進而加劇偏離自然熵增-逆熵增平衡，直至生態(tài)系統(tǒng)崩潰。此外，若使用人工合成材料去除水中污染物，應(yīng)以可回收/降解材料研發(fā)為導(dǎo)向，避免額外高熵物質(zhì)引入，導(dǎo)致熵增風(fēng)險。因此，污水處理應(yīng)避免過度熵增，并盡可能創(chuàng)造逆熵增情景，以維系自然熵循環(huán)。

　　[資源/能源回收與逆熵增]

　　相比之下，在農(nóng)耕時代原生態(tài)文明之下，人類憑借“糞尿返田”方式回收營養(yǎng)物質(zhì)、并凈化污水;無形中，正契合了自然熵循環(huán)過程：養(yǎng)分(C，N，P，K等)和能量在人與土地/糧食之間不斷交換，實現(xiàn)了物質(zhì)循環(huán)。正因如此，古時生態(tài)系統(tǒng)得以維持相對平衡。然而，伴隨著工業(yè)革命而出現(xiàn)的城市化產(chǎn)生了現(xiàn)代廁所和下水道系統(tǒng)，這就使得大量污水集中流向自然水體，加劇了環(huán)境熵增;并且，隨污水流失的營養(yǎng)物質(zhì)和能量大大延緩了逆熵增過程。顯然，由污水及其處理引起的加劇熵增和延緩逆熵增都會危害生態(tài)系統(tǒng)平衡。為此，將傳統(tǒng)污水處理轉(zhuǎn)向可持續(xù)污水處理來促進逆熵增具有非凡意義。其中，資源與能源回收是一種非常有效的逆熵增手段。

　　[熵概念下的可持續(xù)污水處理]

　　為了實現(xiàn)可持續(xù)污水處理，提高污水處理投入與產(chǎn)出比甚為關(guān)鍵，即，節(jié)能降耗(延緩熵增)與資源/能源回收(促進逆熵增)。然而，僅僅依靠延緩熵增來實現(xiàn)熵循環(huán)相對平衡是遠遠不夠的。因此，通過資源與能源回收實現(xiàn)逆熵增在可持續(xù)污水處理中至關(guān)重要。

　　其中，資源回收能夠直接提高物質(zhì)的可持續(xù)性，減少環(huán)境污染;能源回收能夠補充碳中和運行所需的能量。在此方面，需要特別提及的是，污泥厭氧消化作為化學(xué)能回收的常用技術(shù)，其終端產(chǎn)品甲烷(CH4)卻是高熵物質(zhì)，它一旦發(fā)生泄漏便會加劇溫室效應(yīng)(CH4溫室效應(yīng)為CO2的28倍);并且CH4完全燃燒后會產(chǎn)生熵值更高的CO2。因此，從維持系統(tǒng)低熵循環(huán)角度，污水中有機物不應(yīng)通過厭氧消化轉(zhuǎn)化為CH4，而應(yīng)向具有高附加值的低熵有機物轉(zhuǎn)變，例如，PHA(生物塑料)，EPS(胞外聚合物)/ALE(藻酸鹽)等產(chǎn)品。

　　在能源回收方面，應(yīng)聚焦出水余溫?zé)崮?。這不僅能夠滿足一定的社會供暖/制冷需要，且可以用于原位低溫干化(提取高值有機物后的)污泥，并最終實現(xiàn)自持焚燒與熱電聯(lián)產(chǎn)。最后，從污泥焚燒后灰分中可提取磷和重金屬，而其殘渣最終可用作建材。

　　其中，污泥焚燒灰分磷回收能夠有效降低磷危機風(fēng)險，避免磷肥生產(chǎn)過度依賴磷礦資源;出水余溫?zé)崮芑厥詹粌H可助力污水處理廠間接實現(xiàn)碳中和運行，甚至可以形成大量可用于碳交易的“負(fù)碳”場景。更為重要的是，資源與能源回收可極大促進系統(tǒng)逆熵增，降低環(huán)境日益增長的熵增風(fēng)險，有效助力生態(tài)循環(huán)，即，發(fā)展藍色經(jīng)濟。

　　總而言之，基于工業(yè)革命的現(xiàn)代文明發(fā)展使人類文明嚴(yán)重偏離了自然熵循環(huán)。環(huán)境自凈作用已無法消納這一過程產(chǎn)生的過度熵增。旨在提高污水凈化能力的傳統(tǒng)污水處理實際上是在進一步加劇污水處理對環(huán)境的熵增，甚至延緩了以物質(zhì)再生為主導(dǎo)的逆熵增過程。因此，開發(fā)強調(diào)資源與能源回收的可持續(xù)污水處理來延緩熵增并促進逆熵增一定是今后污水處理的首要目標(biāo)。

　　[結(jié)論]

　　水體自凈作用能夠在一定程度上維系自然熵循環(huán)，但隨著越來越多污水產(chǎn)生，這一作用逐漸變得非常有限，特別是在城市區(qū)域。

　　污水會導(dǎo)致環(huán)境熵增，而傳統(tǒng)污水處理則會加劇熵增過程。

　　必須發(fā)展可以延緩熵增、促進逆熵增的可持續(xù)污水處理。其中，資源與能源回收能夠有效促進逆熵增。

　　污水中有機物應(yīng)以高附加值產(chǎn)物形式回收，而不應(yīng)經(jīng)厭氧消化轉(zhuǎn)化為CH4。此外，我們應(yīng)充分利用污水中所含熱能，實現(xiàn)污水處理碳中和運行，甚至形成“負(fù)碳”場景。