可持續(xù)發(fā)展-城市水循環(huán)創(chuàng)新技術(shù)：經(jīng)過十年磨礪的SANI殺泥工藝

SANI 殺泥工藝介紹（視頻）   © 香港科技大學(xué) HKUST

水乃萬物之源。誠然地球的絕大部分是水，但是其中97%是含鹽的海水,另外3%的淡水中大部分又是以固態(tài)形式存在于冰川之中。所以可想而知，可以供給人類使用的淡水資源是少之又少！而這珍貴的淡水資源又因?yàn)槠浞植疾痪�以及逐漸遭受污染，直接影響著社會的可持續(xù)發(fā)展乃至人類的健康。據(jù)報道，全球約15億人口面臨淡水不足問題，其中3億人口處于完全缺水狀態(tài)。預(yù)計到2025年，全世界將有30億人口缺水。我國人均淡水占有量為2240立方米，僅為世界人均水平的1/4，屬中度缺水國家。由于水資源受到過度開發(fā)、污染且利用率很低等問題，水資源的匱乏已呈現(xiàn)出制約城市經(jīng)濟(jì)和社會的可持續(xù)發(fā)展的態(tài)勢。如何節(jié)約淡水資源、開發(fā)“替代性”水資源、凈化污染水質(zhì)已不僅僅是熱門的科技問題，更是刻不容緩社會問題。

作為一個嚴(yán)重缺乏淡水資源的海岸城市，香港自上世紀(jì)五十年代起，一方面建立長距離供水管道輸入東江源水，另一方面開始采用海水沖廁。根據(jù)香港水務(wù)署2014年的報告顯示，香港海水沖廁系統(tǒng)（圖1）現(xiàn)時覆蓋全港720萬人口中的八成，平均每天為香港提供760000立方米的海水作沖廁使用節(jié)省22%的淡水資源。香港50年的經(jīng)驗(yàn)證明海水沖廁基本不造成任何個人和公共衛(wèi)生不便，采用大管徑的水泥防腐管為主干道與小管徑的PVC管建筑物管道組成的海水供給管網(wǎng)腐鉵問題可以有效解決。與大量水資源節(jié)省的成本（海水沖廁能耗不超過海水淡化能耗的五十分之一）相比，控制少部分加壓管道硫化物產(chǎn)生及污水廠設(shè)備防腐處理所需要的成本就變得很有限。在此基礎(chǔ)上發(fā)展的香港國際機(jī)場淡水海水中水“三水供水系統(tǒng)”（圖1）節(jié)省水資源率達(dá)52%，被《自然》雜志（337卷781頁）評價為目前最為有效的可持續(xù)水資源系統(tǒng)之一。

圖1：創(chuàng)新城市水循環(huán)系統(tǒng)：“三水”供水系統(tǒng)與SANI工藝聯(lián)用概念圖   © 香港科技大學(xué) HKUST

由于海水沖廁技術(shù)在香港的大規(guī)模應(yīng)用，產(chǎn)生含一定量硫酸鹽的高鹽城市污水，使得其有機(jī)物（COD）與硫酸鹽（SO₄^2-)的比例為1.3- 2.4 (g COD/g SO₄^2---S)，提供了通過硫酸鹽還原過程實(shí)現(xiàn)快速厭氧去除有機(jī)物的可能性。通過受到此一啟發(fā)后的文獻(xiàn)調(diào)查和不斷的思索，加上2002年荷蘭代爾夫特理工大學(xué)Make van Loosdrecht教授來訪香港科技大學(xué)時的鼓勵，香港科技大學(xué)陳光浩教授于與2004年首先提出了基于異養(yǎng)硫酸鹽還原(Sulfate reduction)、自養(yǎng)反硝化(Autotrophic denitrification)、硝化反應(yīng)(Nitrification)一體化(Integrated)原創(chuàng)型高鹽城市污水處理的新工藝,簡稱SANI工藝®™，　并于2004年獲得了香港研究資助局（HKRGC）研究項目的資助。SANI工藝將硫酸鹽還原為基礎(chǔ)的高效厭氧（水溫20度時水力停留時間可降至4小時以內(nèi)）引入城市污水處理，同時利用所產(chǎn)大量溶解性硫化物（大量硫酸鹽還原自動提高反應(yīng)器pH至堿性水平使得所產(chǎn)硫化氫幾乎完全溶解于水）作為取代有機(jī)物的電子供體體實(shí)現(xiàn)后續(xù)自養(yǎng)反硝化（有機(jī)物非依賴性除氮過程）。SANI工藝是第一次在城市生物污水處理中將厭氧除碳反應(yīng)和自養(yǎng)反硝化有機(jī)地連接起來。由于這兩個反應(yīng)過程本身產(chǎn)泥很少，加上產(chǎn)泥又少的硝化反應(yīng)，理論上實(shí)現(xiàn)污泥源頭顯著減量（因此SANI工藝的中文名也稱之為殺泥工藝®™）。為驗(yàn)證這些工藝特性，陳光浩研究團(tuán)隊2003年開始小試，2010年完成中試，2015年完成第一個日處理1000噸的示范工程，現(xiàn)正進(jìn)行SANI工藝優(yōu)化設(shè)計后的1000噸示范工程，參與港科大SANI工藝、法國威立雅MBBR工藝和荷蘭NEREDA工藝的同規(guī)模實(shí)際使用評估工程。在接下來的5-10年內(nèi)，實(shí)現(xiàn)在國內(nèi)外沿海，島嶼和內(nèi)陸不同地區(qū)一定規(guī)模應(yīng)用的目標(biāo)。

SANI工藝發(fā)展過程

陳光浩團(tuán)隊在完成一系列前期探索工作后，在2004年至2008年期間，對SANI工藝進(jìn)行了連續(xù)運(yùn)行500多天處理人工模擬高鹽生活污水實(shí)驗(yàn)室小試，驗(yàn)證這套創(chuàng)新工藝的可行性。結(jié)果十分理想，COD和TN平均去除率分別達(dá)到95%和74%，無須排泥（圖3）。

圖3.SANI工藝小試實(shí)驗(yàn)   © 香港科技大學(xué) HKUST

隨后在2008-2010年間，該團(tuán)隊又設(shè)計、安裝和調(diào)試了水量每天10噸的SANI工藝中試示范系統(tǒng)（圖4），進(jìn)行了連續(xù)穩(wěn)定處理香港東涌泵站實(shí)際含鹽污水225天。中試結(jié)果不僅保證了較好的COD、TN去除率，同時也得出污泥產(chǎn)率僅為0.64 kg TSS/day，實(shí)現(xiàn)了污泥減量90%。以中式試驗(yàn)結(jié)果估算，與傳統(tǒng)活性污泥法工藝-污泥消化處理處置系統(tǒng)相比，SANI工藝可以節(jié)省能耗35%，減少溫室氣體排放36% 。

圖4.SANI工藝中試示范   © 香港科技大學(xué) HKUST

2013-2015年在沙田污水廠展開的大型示范試驗(yàn)，每天平均處理一千噸實(shí)際污水，示范結(jié)果顯示系統(tǒng)COD和總氮去除率可高達(dá)80%，生物處理過程中污泥減量達(dá)70%左右。高效混凝沉淀技術(shù)處理生物處理單元出水的示范顯示，污水中75%的總磷可以被去除，同時其用地與傳統(tǒng)沉淀池用地相比減少70%。

圖5.SANI工藝大試示范   © 香港科技大學(xué) HKUST

SANI工藝適用性

SANI工藝的發(fā)明源于海水沖廁在香港的大規(guī)模應(yīng)用，利用海水中的硫酸鹽作為電子載體，實(shí)現(xiàn)碳、氮污染物的低能耗去除,并大大減少污泥產(chǎn)量。雖然海水沖廁技術(shù)尚未在國內(nèi)外大規(guī)模應(yīng)用，通過簡便的工程手段向沿海地區(qū)現(xiàn)有污水廠引入少量海水，就可改造成SANI工藝。除海水外，硫酸鹽還可以從其它廉價來源中獲得，如酸性礦山廢水，紙漿廢水，煙氣脫硫廢液，高鹽地下水等。透過上述特殊含硫廢水與生活污水的一體化處理，我們便可以把此項以硫?yàn)殡娮虞d體的污水處理新技術(shù)，推廣到無論是沿海城市還是內(nèi)陸地區(qū)。當(dāng)然在這些應(yīng)用過程中，我們必須仔細(xì)控制硫酸鹽的投加量，避免過高的硫酸鹽會對受納的地表水體及地下水造成不良影響(不包括海洋的直接排放)。一般而言，我們只要保持出水硫酸鹽的濃度低于飲用水標(biāo)準(zhǔn)，即250mg SO₄^2-)/L就可以。這對利用SANI工藝處理我國大部分生活污水是可行的。隨著SANI硫高效截流回用新技術(shù)的不斷提升，SANI工藝在內(nèi)陸地區(qū)的廣泛應(yīng)用將變得十分可行。

海水沖廁與SANI工藝在我國的應(yīng)用前景

海水沖廁與SANI工藝在中國有著巨大的發(fā)展空間。中國有16個水資源緊張的沿海城市 （圖6）。這16座沿海城市總?cè)丝谶_(dá)9200萬人。如將來引入海水沖廁（可節(jié)約20%-30%的淡水）并采用SANI工藝處理高鹽城市污水的話，污泥減量所帶來的社會效益十分巨大。以每人每年產(chǎn)生4.6公斤干污泥估算（人均產(chǎn)泥數(shù)據(jù)引自發(fā)表于國際期刊《Water Research》（第78卷60頁）介紹中國污泥處理處置與管理現(xiàn)狀的文章），每年共產(chǎn)約40萬噸的干污泥。若SANI工藝應(yīng)用于這些城市的話，可以大幅度的降低這些污泥的處理過程，同時也每年可以節(jié)約6 GWh的能耗和19萬噸的二氧化碳排放。

圖6. 國內(nèi)16座淡水資源緊張的沿海城市   © 香港科技大學(xué) HKUST

本文作者為香港科技大學(xué)SANI工藝科研團(tuán)隊。