Life-ANSWER 廢水處理系統

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Life-ANSWER 廢水處理系統

Life-ANSWER（Advanced Nutrient Solution With Electrochemical Recovery電化學法回收廢水中營養物質的先進解決方案）是一項創新性技術，將電絮凝與微生物電化學整合在一起，處理和再利用源于農產品加工的工業廢水，并可產生豐富的沼氣（CH4+H2）和農業用肥料。

歐洲食品行業消耗了整個水資源的1.8%。消耗大量的水的同時，無疑產生大量廢水，在其返回到自然環境之前，必須對它們采取適宜的處理工藝。啤酒行業每生產1千升啤酒大約會產生廢水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、有機物等是主要目標。歐盟2000/60/EU標準制定了保護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則。營養豐富的廢水在非受控情況下排放所引發的一個問題是富營養化，易引起水體中氧含量降低，由于環境中生物多樣化遭到破壞，導致嚴重的環境惡化。當前，污水處理工廠去除這些成分所采用的傳統的處理系統在很大程度上是添加對環境有害的化學試劑和應用生物系統，這就造成高的能源成本和高的碳足跡，限制了環境的友好性。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）。總預算為97.34萬EUR，貓牌生力啤酒（Mahou San Miguel）集團和西班牙奧科利雅水務Aqualia出資其中大約60%。前者是西班牙主要的啤酒生產商之一，其位于西班牙Alovera城瓜薩拉哈拉生產工廠作為污水處理設備試點。后者是西班牙一家水資源管理部門。阿爾卡拉大學UAH生物電化學研究小組提供金屬廢料。

表1：啤酒廢水的理化參數

項目為酒、飲料等農產品加工行業提供一個先進的廢水處理解決方案。這些廢水中包含高濃度的營養物質（尤其是氮和磷）以及高的有機負荷，見表1。工藝集成了兩個主要單元，一個是電絮凝系統（循環再利用金屬廢料作為絮凝劑的來源），另一個是創新性的厭氧處理技術，包括用于有效凈化和沼氣產生最大化的微生物電化學裝置。另外，處理后的廢水通過超濾和UV消毒后產生符合皇家法令1620/2007要求的廢水標準，重復利用。項目需符合歐盟統一路線圖制定的歐盟2020年能源新戰略。還有一個雄心勃勃的目標，獲得約2.5 kWh/m3的能量。項目從2018年開始在瓜薩拉哈拉工廠作試驗。結果表明，降低了通常用于去除營養物質所使用的藥劑的消耗；產生了高質量的可回用廢水；產生了豐富的沼氣；獲得了氮磷含量高的污泥，可安全地用作農業肥料。

為了解決試驗裝置廢水處理工藝的規模問題，有必要進行試驗室規模和預測試來優化工藝操作環境，并在ANSWER試驗工程中最大限度地提高該技術的處理能力。試驗設備被設計并按照圖1所示流程圖安裝。廢水處理過程包含兩個基本部分：電絮凝裝置EC和生物電化學流化床反應器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器將有機物質轉換成富集的沼氣（高濃度的甲烷和氫氣）。

第3階段經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，由多個串聯電極模塊組成。負極（陰極）設計用不銹鋼材質，正電極（犧牲陽極）是由鋁屑顆粒緊壓在一起制成，它源于最初被認為是鋁廢料（如廢容器、廢易拉罐等）的回收再利用。這三個連續的階段發生在廢水處理過程中。通過對廢水處理系統施加電流密度，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）的不穩定，最終形成團狀絮凝物，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，可用作農業肥料。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器進行處理。

FBBR系統的概念就是“流化床生物反應器處理廢水方法”，并獲得專利，由西班牙奧科利雅水務Aqualia和阿爾卡拉大學UAH生物電學研究小組在ITACA項目框架內共同開發。該系統包含一個微生物電化學單元，其中的生物電化學過程可促進有機物的轉化。

這種技術是基于電活性細菌與流態化顆粒導電材料之間的相互作用。這些流態化的顆粒可以被微生物用大約10μm厚的生物膜所包圍，正如以前在試驗室規模所獲得的結果。有機物被氧化，由此產生的電子被轉移到陽極上（碳質材料顆粒），產生從陽極到陰極的電子循環，并在這里產生氫氣。有機物質氧化的另一種物質是甲烷，它與氫氣收集到一起獲得沼氣，具有很高的熱值，可用于啤酒工廠現有的沼氣鍋爐中燃燒產生熱量。

無論是試驗室規模還是工業化規模，項目所獲得的結果均非常滿意，見圖2、圖3。應強調地是：與食品和飲料工業所應用的標準化廢水處理技術相比，ANSWER工程項目所采用的技術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。這些數字姑且認為是在再生鋁電絮凝工藝最佳化運行條件下獲得的。經測定最低的能源消耗為j=2.5 mA cm-2。另外，陽極的設計便于很容易地替換反應中所消耗的鋁，從而避免了復雜的組裝。工廠經過9個月運行所獲得結果前景很好。這種創新性系統當前成就的有機物去除率超過90%。其結果，與傳統的厭氧顆粒污泥反應器相比，污泥的產生量降低，沼氣的熱值提升了10%。在再生鋁電絮凝工藝中剩余的營養物也在厭氧反應器中被有效地去除（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。該項技術另一個積極的方面已經證實：在FBBR運行期間，生成的能源比系統消耗的能源高21%。系統根據能源的消耗及運行成本代表了技術上的突破，對污水處理工藝具有積極的影響。這些結果使我們得出結論：FBBR系統提供了一項技術上的解決方案，它可以用生產的凈能源凈化污水，并產生極其少量的污泥。該工程項目的關鍵環境因素之一是實現了技術方案的正能量平衡。擬使用系統低的能源消耗和氫氣及甲烷的產生（見圖5）代表著水行業的重大進步，提供了切實可行的解決方案，在水管理方面促進了可持續發展和循環經濟新舉措。

該項技術可降低化學品的使用。污水處理廠一級處理中所使用的具有絮凝功能的化學品可在電絮凝聚中用再生鋁替代。農業用肥料可被污水處理過程結束時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約用水，因為污水經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工程經證實是一項創新性技術，通過根據實際環境條件下的優化，可提高工業廢水的質量和環境效益。

Life-ANSWER wastewater treatment system

西班牙科技部供稿