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  • 污水處理必須向資源/能源回收方向轉變——熱力學解析

    慧聰水工業網 2022-05-06 10:31 來源:水業碳中和資訊作者:吳道琦 郝曉地等

    [文章亮點]

    污水會導致環境熵增,傳統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。

    污水中有機物轉化不應經厭氧消化產甲烷(高熵物質),需轉向回收高值、低熵有機物。

    污水能源回收應聚焦出水余溫熱能,熱能外輸或低溫干化污泥后焚燒。

    不應發展不可降解、不能回收再利用的除污合成材料。

    [圖文摘要]

    污水處理必須向資源/能源回收方向轉變——熱力學解析

    [研究背景]

    熵(Entropy)是熱力學中的一種抽象概念,可被用以描述一個封閉系統自發陷入無序乃至崩潰的趨勢,即,是對系統混亂度或不可用度的度量。對于地球及其生態系統來說,得幸于太陽能所賦予的逆熵增(Negentropy)助力,物質再生(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過度熵增,維系地球生命延續。顯然,地球及其生態系統穩定需要熵增-逆熵增保持相對平衡。

    近年來,熵的概念已被應用于環境質量評估、微生物學探究、新興材料研發及其機械設計等領域。而在環境相關領域,逆熵增則被作為描述系統可持續性(Sustainability)的指標。

    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系統的熵增,破壞了生態平衡。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進行分析是可行、且具有指導意義的。

    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,因額外能量與物質消耗,反倒加劇了系統熵增,即,“以能消能”和“污染轉嫁”現象持續發生。例如,傳統污水處理(Conventional Wastewater Treatment, CWWT)側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物質被破壞并浪費,大大降低這些物質再生循環的可持續性。因此,傳統污水處理實際上是一個加劇熵增(物質/元素衰?。?、且延緩逆熵增(物質/元素再生)過程。與此同時,污水處理系統熵增將不可避免地導致環境退化和資源枯竭。

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

    該項研究成果剛在線發表于《Water research》雜志Making Waves(掀浪)(一區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。其主要體現在:

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

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

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

    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轉化為相對穩定的高熵物質過程。若涉及額外物質/能量消耗,則會進一步加劇系統熵增,進而加劇偏離自然熵增-逆熵增平衡,直至生態系統崩潰。此外,若使用人工合成材料去除水中污染物,應以可回收/降解材料研發為導向,避免額外高熵物質引入,導致熵增風險。因此,污水處理應避免過度熵增,并盡可能創造逆熵增情景,以維系自然熵循環。

    [資源/能源回收與逆熵增]

    相比之下,在農耕時代原生態文明之下,人類憑借“糞尿返田”方式回收營養物質、并凈化污水;無形中,正契合了自然熵循環過程:養分(C,N,P,K等)和能量在人與土地/糧食之間不斷交換,實現了物質循環。正因如此,古時生態系統得以維持相對平衡。然而,伴隨著工業革命而出現的城市化產生了現代廁所和下水道系統,這就使得大量污水集中流向自然水體,加劇了環境熵增;并且,隨污水流失的營養物質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系統平衡。為此,將傳統污水處理轉向可持續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。

    [熵概念下的可持續污水處理]

    為了實現可持續污水處理,提高污水處理投入與產出比甚為關鍵,即,節能降耗(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熵循環相對平衡是遠遠不夠的。因此,通過資源與能源回收實現逆熵增在可持續污水處理中至關重要。

    其中,資源回收能夠直接提高物質的可持續性,減少環境污染;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能回收的常用技術,其終端產品甲烷(CH4)卻是高熵物質,它一旦發生泄漏便會加劇溫室效應(CH4溫室效應為CO2的28倍);并且CH4完全燃燒后會產生熵值更高的CO2。因此,從維持系統低熵循環角度,污水中有機物不應通過厭氧消化轉化為CH4,而應向具有高附加值的低熵有機物轉變,例如,PHA(生物塑料),EPS(胞外聚合物)/ALE(藻酸鹽)等產品。

    在能源回收方面,應聚焦出水余溫熱能。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,并最終實現自持焚燒與熱電聯產。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險,避免磷肥生產過度依賴磷礦資源;出水余溫熱能回收不僅可助力污水處理廠間接實現碳中和運行,甚至可以形成大量可用于碳交易的“負碳”場景。更為重要的是,資源與能源回收可極大促進系統逆熵增,降低環境日益增長的熵增風險,有效助力生態循環,即,發展藍色經濟。

    總而言之,基于工業革命的現代文明發展使人類文明嚴重偏離了自然熵循環。環境自凈作用已無法消納這一過程產生的過度熵增。旨在提高污水凈化能力的傳統污水處理實際上是在進一步加劇污水處理對環境的熵增,甚至延緩了以物質再生為主導的逆熵增過程。因此,開發強調資源與能源回收的可持續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。

    [結論]

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

    污水會導致環境熵增,而傳統污水處理則會加劇熵增過程。

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

    污水中有機物應以高附加值產物形式回收,而不應經厭氧消化轉化為CH4。此外,我們應充分利用污水中所含熱能,實現污水處理碳中和運行,甚至形成“負碳”場景。

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