18项面向未来污水处理节能技术的评估报告（2）：强化污水化学能的回收，第一期请点击：18项未来污水处理节能技术报告：改善现有污水处理厂能耗效率
2015年，美国水环境研究基金会WERF、国际水协会IWA以及纽约州能源研究与发展局NYSERDA联合发布了一份名叫Assessment of Technology Advancement for Future Energy Reduction的报告。这份报告对18个专项技术领域进行了评估，评估内容包括其技术成熟度、对行业产生的影响以及推广应用潜力等方面。这份报告将18个专项技术领域划分为了三大主题进行评估分析， IWA微信公众号将向读者分四期分别进行介绍。第二期的主题是强化化学能回收。
1、CANDO工艺
CANDO工艺是一种能从测流氨氮废水中回收一氧化二氮的脱氮技术。一氧化二氮可以作为助燃剂提高发动机效率。CANDO工艺的第一步通常是SHARON的短程硝化工艺，这是非常成熟的工艺，能减少处理侧流液的曝气量达25%。目前研发团队正在位于美国加州Delta Diablo的Antioch污水厂对此工艺进行测试。
专家们普遍认为这是一项小众技术，他们认为这项技术处于介乎实验室规模和中试规模的阶段，需要更有力的商业案例来取得突破;而只有氨氮的去除率和转化率都需要超过80%、氨氮的负荷率要超过每天1 kg-N/m3才能让这项工艺更有吸引力。整个技术研发阶段的时间可能长达10年。在基础研究方面它有待解决的问题包括如何改进一氧化二氮的利用效率、如何降低系统的复杂度、能否把应用范围从侧流拓展到主流。在规模方面，专家们的观点相差较大，有的认为适于10MGD以下的规模，有的则认为需大于100MGD。考虑到大型污水厂侧流的氨氮负荷更高，应该后者的能量效益会更高。在非技术方面，CANDO工艺存在的障碍包括工艺的风险、长期运行的可靠性、成本效益以及没有相应的再生能源政策促进这样的新技术的发展。
2、从污泥中回收高级碳氢化合物
这一领域的研究焦点是如何从污泥中回收经济价值更高的燃料产品，包括可以直接用于现有运输基础设施的替代性燃料。在此背景之下，美国能源部将从污泥和其他形式有机废物中生产出的含有四个或以上碳原子的高级碳氢化合物(hydrocarbons)。在空气质量要求特别严格或者电价较低的地区，这种回收资源的方法可能比厌氧消化和热电联产有更多好处。
这领域包含了很多处于不同研发阶段的工艺技术，包括生物质水热液化(HTL - hydrothermal liquefaction)。有专家指出，要用更多的化工思维看待这话题，因为它涉及了太多关于产品、反应平台和反应路径等方面的知识。
专家们列出了这个领域里可能进行生产的产品清单：
热解油
热裂解气( CO, H2, CH4, CO2)
气化器产生的合成器(Syngas，如 CO, H2，乙烷和其他气体)
中间产物如甲醇
挥发油(Naphtha)作为生产塑料的底料
正丁醇
挥发性脂肪酸(VFAs- volatile fatty acids)中生产的生物柴油
和其他传统燃料混合的产品
虾饲料 (更高价值的动物饲料产品)
费托合成反应器(Fischer-Tropsch reactors)被认为是能实现这一目标的技术路线。但是专家们也指出，现有污水厂的污泥产出规模很难满足费托合成工艺的要求。对此，有一些专家指出可以通过存库系统(depot system)的方法来解决这个问题：现在污水厂把污泥转化成一个中间产物(如热解油)，然后将几个厂的中间产品运到一个大厂集中处理。他们提到了几个已经有工业应用的案例：一个是能从每吨脱水污泥生产1/2桶合成原油(42加仑，主要成分是石蜡和柴油)，另外案例的产能则是60加仑。
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3、从沼气中回收更高级的碳氢化合物
跟高级碳氢化合物的回收类似，从沼气中回收更高级的碳氢化合物这个技术领域也有很多处于不同阶段的工艺。对于生物沼气而言，这些技术的目标是要生产比沼气经济价值更高的燃料或者化学品。
专家们提到生物工艺可以将生物甲烷转化为甲醇或丁醇，这将大大减少污水厂因为要脱氮而使用甲醇造成的碳足迹。除了生产碳氢化合物，生物塑料是另外一种产品，一家从斯坦福大学走出来的初创公司Mango Materials就凭借生物塑料项目获得了美国能源部提供资助。生物工艺给甲烷氧化菌(methanotrophs)供给沼气，它们能将甲烷转化为聚羟基烷酯(PHA)，产量能高达细胞质量的50%。
4、强化厌氧消化的甲烷产量
首先想说明，本节所讲的强化甲烷的产量有别于第一期文章中提到的污泥预处理以及下边一节将要提到的协同消化。
除了上表提到的技术之外，有专家还指出，通过厌氧消化回收技术，有时需要把污水厂作为一个整体规划。厌氧消化回收能量的减少有时是因为在初沉池中预留部分碳源供脱氮工艺所用，正因为如此，才需要诸如厌氧氨氧化等不需要外加碳源的工艺。除此以外，专家还补充了一些会影响甲烷产量的因素，例如法规和鼓励政策的缺乏，或者市政部门间缺少合作来推动这些额外能源的回收。最后他们也提到需要更好地管理和定义进料，以及加深对厌氧消化微生物的认识。
5、优化厨余协同消化工艺
虽然厨余协同消化的案例在近几年快速增加，行业对这个工艺的认识仍需加深。下表总结了一些能优化厨余协同消化工艺的新方法，包括了商业上的、技术上的以及如何更好地收集资源。
虽然厨余协同消化是相对成熟技术，但事实上，该工艺在实际应用和实现最终盈利上还面临着一些挑战，例如：
提高物质的鉴定技术和工艺模型输入的建设
改进碳同位素分馏法来更好地定义厨余和污泥的协同作用
厨余中的组分(蛋白、脂质和碳水化合物)的非能源用途的作用分析
提高居民区垃圾分类的方法以提高系统的回收率
减少污水厂和发电厂之间的一些法规阻碍
优化氮回收策略，把它转化成农业肥料等用途
开发更加综合性而明确的商业模式来展示其市场价值
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6、通过膜技术从污水中回收氢气
这个工艺的原理是对生物质进行预处理筛选，抑制产甲烷菌的活性，通过厌氧方式让异养产氢菌降解污水中的有机质成为氢气。这里提及的工艺是通过MBR来实现的，产氢细菌产生的氢气通过中空纤维膜得以过滤并为燃料电池提供能源。专家认为这个系统可以模块化建造，灵活地植入许多系统，包括工业、农业和市政卫生液态废物系统。
7、污泥的热解和气化
热解(pyrolysis)和气化(gasification)工艺可用于包括初始污泥和消化污泥的处理。两项技术紧密相关，唯一的不同点在于是否有氧的存在以及产物的形成。
热解是在反应温度超过300°C的无氧环境下进行，而且只有少量的水分。热解能生成油，在特定条件下还能生成合成气，剩下的固体残渣由于具有良好的蓄水能力并且含磷，可以进行农用。
气化则是在次化学计量氧化情况下运行的，通过加入少量的氧气和水蒸气来控制气体的生成。气化后的固体成分是灰分。气化会生成合成气，但目前这些气体主要用于干燥进料污泥，没有多余的气体用于额外产能。
专家们认为两项技术都有很好的前景。至于哪项技术更有优势，则视乎工艺产物对特定项目的适用性。
未完待续
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