2050年的废水处理：欧洲背景下的资源回收与水循环中心

环境科学与生态技术2（2020）100030透视2050年的废水处理：欧洲背景安娜·苏亚雷斯Cran field水科学研究所， Cran field大学， Cran field，MK43 0AL，英国A R T IC L EIN F O文章历史记录：接收日期：2020年3月17日接收日期：2020年2020年4月24日接受保留字：温室气体排放anMBR硝化全面实施水务行业1. 介绍废水处理行业的现状是一个过渡。在欧洲，在过去的20年里，我们看到在实施城市废水处理欧洲指令（91/271/EEC [1]和欧洲水框架指令[2]）后，河流水质得到了显著改善。高达97%的人口现在可以获得安全管理的废水处理服务。2006年能源危机的开始，恰逢大型活性污泥厂的建设和投产，导致市政当局和废水处理行业支付的电费不断增加。运营成本的激增导致人们对污水处理厂的可持续性、活性污泥处理废水的适当性提出了广泛的质疑，特别是当与实施日益严格的排放法规相结合时，要求总氮和磷去除，将工艺工程和运营成本推到关键水平。这导致了2009年左右的范式转变，“废水处理”设施被提议作为新的“资源回收和水循环中心”。这些想法不一定是新的，但时机是无可挑剔的，因为该领域的许多知名专家，来自工业界，学术界和咨询公司，推动了类似的概念，电子邮件地址：a.soares@cran field. ac. uk。这是对这些思想的广泛接受研究人员、废水处理服务提供商和相关行业利用这一机会，通过国家和国际研究委员会的资助，开发了一系列技术，这些技术可以提供高效率的质量，降低能源需求，降低资本成本和运营成本，同时实现某种资源回收。从沼气到各种回收产品（例如：鸟粪石、生物塑料、合成气、重金属等），所有种类的技术都是在不同的技术准备水平（TRL）上开发的。技术发展的突破性进展往往始于大学一级。有少数精英大学高度准备以确保资金，同时与行业合作以加快技术发展。然而，全球化和统一化的融资过程也导致了实验设计的标准化，实验室的统一操纵，有利于研究结果在世界各地的统一跳出框框思考考虑到与开发新技术相关的时间、精力和成本，在决定进一步投资之前准确量化收益至关重要咨询公司和大型水务公司的研究和创新通常遵循学术界设定的趋势，但通过提供合适的成本模型和量化效益的经验，填补空白，发挥着关键作用。此外，咨询公司和大型水务公司可以在当地迅速行动，推动实施。另一方面，大多数人倾向于风险厌恶，对风险管理贴上了高价标签。能够在多学科团队中进行紧密协作的平台，可以提供准确的商业案例，收集投资，同时考虑监管和社会框架，以开发和展示被认为是高风险的技术，这是未来的关键我们已经开始看到这样的合作平台的实现，但我们需要更多的向前迈进。在欧洲，开发绿色场地的机会非常少，因此人们非常关注如何将创新技术整合到现有的污水处理厂中。目前，废水处理行业面临着绝对惊人的技术选择，许多人询问在哪里投资，开发，实施以及为什么。这些问题传达了广泛的建模和决策支持工具。虽然这些可以提供一些方向感，但所使用的数据集和工具往往不足https://doi.org/10.1016/j.ese.2020.1000302666-4984/©2020作者。由Elsevier B.V.代表中国环境科学学会、哈尔滨工业大学、中国环境科学研究院出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表环境科学与生态技术期刊主页：www.journals.elsevier.com/environmental-science-and-www.example.com凌晨2苏亚雷斯/环境科学与生态技术2（2020） 100030Fig. 1. 28个欧洲联盟国家每一人口当量的聚集总数。复杂，以授予广泛的用户。另一方面，人们慢慢认识到，污水处理厂的整合方案对于单个国家、社区和地区是不同的一个适合所有人的设计或图纸已经过时，因为我们现在意识到，西班牙南部到苏格兰北部的污水处理厂需要以不同的方式进行思考，设计和运营，以实现可持续发展，与客户融合，与当地的愿景和目标保持一致，并与周围的自然环境相结合2. 2030年的污水处理，强化的十年实施新技术的一个主要障碍是现有资产的寿命！大多数污水处理厂都有几十年的历史，但仍然提供令人满意的服务，因此更换或升级它们会带来一个具有挑战性和复杂的业务案例，许多人选择什么都不做或只是增加增量流程。到2030年，一级、二级和三级废水处理的概念仍然非常到位。最新的技术发展将集中在工艺强化、资源回收和工程系统上，以实现更高的有效质量，同时实现净零目标，即，实现碳排放中和。我认为一些新技术是未来的证明，值得一提的是它们的潜力，包括初步和初级处理的结合，如Cellvation工艺。这可以从废水中回收纤维素，减少二次加工的有机负荷，额外的好处是回收的纤维素可以用于制造各种复合材料[3]。在采用Cellvation工艺的污水处理厂中，来自厌氧消化的沼气产量减少，但如果将其阐述为碳捕获工艺，则这不一定是负面的。Nereda ®是另一个强化新工艺的例子，减少了占地面积和资本成本。Nereda®的目标是在序批式反应器中去除总氮和磷，实现高效质量，而无需二级澄清器，依靠高浓度的颗粒生物质来处理高负荷率[4]。好氧颗粒污泥富含聚合物，可以提取用于一系列应用，包括种子包衣以提高发芽成功率（https://kaumera.com/）。通过部分亚硝化和厌氧氨氧化进行的脱氨已取得巨大成功，全球有许多装置旨在处理污泥脱水液，并证明了在减少二级处理的氨负荷方面的好处[5]。由于这些优势，脱氨化的扩张很可能在未来十年继续。一些国家正在实施营养资源回收，特别是-尤其是磷，即欧洲短缺图2. 适用于可能导致N2O排放的硝化和硝化过程的操作参数（改编自参考文献104）。[10].在欧洲，营养素供应，可导致农业生产力，粮食生产，化学品价格上涨等关键水平排放到环境中，营养素是污染物，严重影响自然栖息地。尽管技术进步正在快速发展，为养分回收提供了机会（例如：鸟粪石结晶、从灰烬中回收磷或从污泥热处理产生的生物炭等），仍然存在使这些工艺可持续和经济可行以及为供应链和市场提供最终路线和入口的重大挑战。此外，在未来十年，我们将看到污水处理厂更广泛的数字化。水务行业的数字化主要发生在饮用水应用领域（例如：污染物预警系统、配电网络中的可变压力控制、泄漏检测等）[7]。有意义的大数据分析和人工智能将在短期内实现重大飞跃，但污水处理厂更广泛的自动化受到投资不足、员工培训不足和遥感困难的阻碍。众所周知，在污水处理厂中安装和维护传感器非常困难，因为传感器的寿命短，需要频繁维护（由于污染，相互参照等），环境条件恶劣，可访问性差。数字孪生提供了许多优势，但只有大型和管理良好的处理厂才有可能从这一领域的发展中受益。绝大多数的污水处理厂在欧洲是小，偏远，处理聚集从2000e 10，000人口当量(62%）（图1）[9]。3. 2050年污水处理下一代技术将受到减少碳排放的需要以及严格的法规的巨大影响，同时促进水的再利用。同样，这些不一定是新的驱动力，但不同的是，到2050年，我们将取得重大进展，从而导致其广泛和全面的实施。通知的送达¼A. 苏亚雷斯/环境科学与生态技术2（2020）1000303图3. 生 物 鸟粪石晶体是由B. pumilus（a），M.xanthus（b）和B.antiquum（C）在城市污水中的作用。比例尺为88.32m m。经济将是第二驱动力，因为到2020年至 2030年，废水行业的利益以及公众看法和监管的不确定性我们现在可以提供直接和间接温室气体排放的准确和完整的地图二氧化碳（CO2）当然是一种关键气体，在有机物的生物氧化、沼气燃烧过程中产生，并且与WWTP中消耗的能量有关。甲烷（CH4）和一氧化二氮（N2O）是非常相关的由于其全球变暖潜力（CH4¼ 21.CO2当量和N2 O 310.CO2当量）。甲烷排放可能来自各种工艺，从初级沉淀到净化池，但最重要的是来自污泥处理，其值高达0.0085 kg CH4/kgCOD，因此管理这些排放至关重要。此外，人们越来越认识到，由于N2O排放和曝气所需的能量，生物氨转化为氮气是不可持续的[11]。一氧化二氮的排放量差别很大，但根据硝化和硝化等工艺的运行情况，一个处理厂可能会排放多达5%的氮。因此，需要重新考虑或升级基于硝化、反硝化、亚硝化、脱氨和生物营养物去除（有或没有好氧颗粒污泥）的工艺。这将是未来几十年最大的变化之一，氮管理。我们将看到生物脱氮技术的减少，因为这些技术将被替代的物理和化学工艺所取代到2050年，变革性技术将侧重于天然气生产和回收。可以生产氨（NH3），CH4，氢气（H2）和CO2，随后从废水中分离，提供了一条安全的路线，以获得清洁的物流，从而实现可再生能源或化学品生产。废水中的有机碳可以在厌氧膜反应器中转化为甲烷含量为80%的沼气，达到适合水再利用的高效质量[12]。这些反应器是完全密封的，溶解的甲烷被回收，从而降低了温室气体排放和甲烷回收率。膜生物反应器的产物中含有丰富的营养物质。氨可以通过汽提以气体形式回收，或者在盐水中浓缩后浓缩成液体流[13，14]。氢气可以通过生物发酵、电解等方法生产[15]，而CH4和CO2可以用于生产一系列高价值的化学品[8，16]。将开发新的生物工艺来探索微生物多样性的整体，以利用微生物的真正力量微生物生产高度特异性和功能化材料的能力将继续发展，以在生物技术工程领域生产化学品。生物矿物，如鸟粪石，可以在废水中由特定的细菌产生，这些细菌可以浓缩离子，导致特定盐的沉淀（图3）[17，18]。离子和可以从废水中提取的元素几乎是无限的！微生物生产碳酸盐生物矿物可以促进CO2的封存，减少温室气体排放，回收的产物具有多种用途，如提高建筑物的耐久性（生物水泥），可用于复合材料，纳米材料的生产。开发生物矿物形成微生物的其他例子包括生产生物材料，氧化物，金属和半导体，纳米材料，生物分子的保护涂层，以及其他具有令人兴奋和新特性的智能材料[19，20]。总体而言，未来30年将导致下一代污水处理厂的发展，因为废水行业的压力越来越大，“一切照旧”，小步变化是不可接受的未来几十年，污水处理行业肯定会竞争利益提交人声明没有利益冲突。引用[1] 欧洲议会，欧洲联盟理事会关于城市污水处理的指令（91/271/EEC），1991年。[2] 欧洲议会，欧盟理事会水框架指令共同实施战略（2000/60/EC），2009年。[3] C. 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