污水的工资

这是一个周一的早晨，在一家污水处理厂，未经处理的污水从英国附近的雷德奇镇倾泻而下。有两条管道，一条来自城镇，另一条来自当地村庄。人类粪便平静地漂过。从上面看，气味没有你想象的那么难闻，但确实有一种嗡嗡声。在左边，一个红色的跳绳收集所有大于铅笔宽度的东西。垃圾箱里装满了从路上冲进来的塑料、卫生用品、婴儿湿巾和砂砾。Severn Trent的Pete Vale笑着说，这是工厂的“肮脏的一端”，不过他不是在开玩笑。没有什么比观看9万人厕所里的东西更能让你与人类面对面了。

水务行业对废水循环管理很感兴趣，但市场还没有准备好

Francesco Fatone，马尔凯理工大学，意大利

废水和大部分处理过程都在这里精子废水处理厂是典型的中型处理厂。池塘草位于主沉淀池的顶部，当微生物忙于分解有机物时，活性污泥的通道迅速起泡。在背景中，四个高到几英里外都能看到的混凝土罐中，沼气是从这两个过程中收集到的浓稠污泥中生产出来的。“干净的终点”距离工厂中心不远。在这里，一些新的令人兴奋的东西正在出现。它有可能彻底改变废水的概念。

底线

现在，它看起来不过是一块干净的混凝土板，上面放着几个大坦克。建筑工人仍在现场，正在完成通道的施工。但对于淡水河谷(Vale)来说，它的意义要大得多。淡水河谷是淡水河谷的创新技术领导者。“这是我们的新试验台，”他解释说，混凝土板是目前的重点塞汶河特伦特中国正努力将其污水处理厂改造成“资源回收工厂”。在这里，该公司将试验一系列旨在提取化学能和磷、氮等营养物质的技术，如果一切顺利，还可以提取纤维素、可生物降解塑料甚至蛋白质。根据Vale的说法，这个试验台的建造标志着Severn Trent的一个台阶变化的开始。他解释说:“我们将尝试新技术，希望能让我们从仅仅处理废水的传统方式转变为将其视为一种有价值的资源，并尽可能回收。”

这不仅仅是一个白日梦。能源回收在英国和欧洲各地的污水处理厂已经很普遍，现在水处理公司正在认真研究其他解决方案，以使他们的行业更具成本效益和碳效率。回收材料直接支持了未来循环经济的理念，但它也是提高底线的另一种方式。

SMART-PlantSevern Trent公司积极参与的一个欧洲研究项目，重点是在节能技术的支持下，让一些最有前途的回收工艺进入处理厂。这位化学工程师说:“我们正在应用能够提高能源效率的技术，这样它们就能立竿见效果，此外你还可以回收材料。弗朗西斯科·Fatone他来自意大利安科纳马尔凯理工大学，负责协调该项目。“因为目前，(水务行业)确实有兴趣为废水循环管理做好准备，但由于市场还没有准备好，我们需要另一个驱动因素。“到目前为止，该项目已经在欧洲从以色列到荷兰的六个不同的废水处理厂建立了示范点。”一个意大利卡博纳拉一家工厂的飞行员，目前每天可生产300克鸟粪石形式的磷(磷酸铵镁)和1公斤聚羟基烷酸盐(PHAs)——制造可生物降解塑料的原料，同时可节省约20%的能源。回收的鸟粪石可以用作肥料，但去除鸟粪石也对水务公司有利，因为它是水管结垢的主要原因。

提取P

与此同时，在英国克兰菲尔德大学(Cranfield University)的一个试验工厂——直接从该大学的大型污水处理厂获取污水——另一个SMART-Plant解决方案是回收磷，不是以鸟粪石的形式，而是以磷酸钙的形式。根据安娜苏亚雷斯他是生物工程的高级讲师，用这种方法回收成本更低。她使用的技术改编自用于从污染水中去除砷的商业离子交换器，并将于今年安装在塞文特伦特的新试验台上。正如苏亚雷斯解释的那样，它使用覆盖着铁纳米颗粒的珠子从废水中提取磷。“我们发现这种介质含有铁，而铁对磷有很高的亲和力，”Soares说。“所以我们让废水通过一个充满这种介质的床，磷与铁纳米颗粒结合，我们可以选择性地去除磷。为了将磷分离出来，他们加入氢氧化钠使其分离，然后加入氢氧化钙使其析出为磷酸钙。

长期以来，磷一直被视为一种污染物，因为它对水道有破坏性的影响。²所有的处理厂都必须保留它们排放到环境中的量严格限制．但他们可以简单地通过在水中加入铁来沉淀——用于去除，而不是回收。那么，废水中的磷含量真的足够让回收技术成为一项合理的投资吗?塞文·特伦特将会找到答案，但淡水河谷公司估计每升污水中约有8 - 10毫克，其中一半来自人类粪便。他承认:“所以浓度相对较低。”不过，如果你考虑到高流量，那就相当重要了。淡水河谷公司表示，粗略估计，英国的污水处理厂可能足以供应近一半的进口化肥。克兰菲尔德工艺将以与中国和摩洛哥等国富含磷酸盐的岩石(磷灰石)相同的形式回收它——磷酸钙。当然，这些矿产正在枯竭，而英国自己没有储量。

Spernal试验台将试验磷和氮的回收——使用第二离子交换技术回收氮——与厌氧膜生物反应器相结合，产生沼气。^3.站在他的空板房前，瓦尔试图想象这将会是什么样子。他说，主生物反应器看起来不会与活性污泥有太大不同。他指的是我们之前看到的冒泡的曝气池。“可能在一个更高的水箱里。但不是向里面吹气，而是让污水从底部进入，细菌是厌氧的，而不是好氧的。你的沼气会从顶部流出，排出的废水也会流出。“不需要吹气既节省能源又省钱，但由于厌氧消化在较冷的气候条件下进展缓慢，所以有必要使用这种膜来保留反应器中的所有细菌。”然而，这种膜不会过滤掉磷或氮，所以它们可以在事后被回收。

平齐和弯曲

不过，营养物质只是材料回收的起点，Spernal的试验台旨在同时试验多达12种不同的技术。在我们的参观过程中，Vale在一些新安装的泵旁边停下来，解释整个工作原理。流体在进入沉淀池之前或之后被拦截，新泵将其输送到试验台，在一个或多个测试过程中进行处理。处理后的水可返回主厂进行传统处理。他将其描述为一个“即插即用”系统，可以接入主要的污水流。

有了这些灵活性，他们还能代入什么呢?淡水河谷认为纤维素的回收在不久的将来是可能的。虽然塞文特伦特还没有确定的计划，但它确实与CirTec这家荷兰公司从污水中的厕纸中回收纤维素(两家公司都是SMART-Plant的合作伙伴)。2017年，CirTec开通了第一个污水处理厂在荷兰的沃曼惠岑。

在温门惠珍工厂，用比普通筛分更细的方法将用过的厕纸纤维从液体中分离出来。这种相对简单的技术将在流出Spernal大红色料斗的粗筛层之上增加一层额外的筛层。正如技术总监库斯·韦塞尔斯(Coos Wessels)所解释的那样，CirTec工艺源于通过过滤和使用污水中的固体物质来增加沼气产量的尝试。他说:“我们把(固体部分)放在显微镜下观察，发现我们筛选的这种材料中含有大量纤维素。”“纤维素是一种有价值的产品。“全球纤维素纤维市场是如此市值超过210亿美元(170亿英镑)，而且还在增长，随着纺织业需求的增加。在CirTec筛选的材料中，纤维素约占70%，脂肪、毛发、种子和其他有机材料占其余部分，因此该公司提出了一种尚未公开的工艺，从混合物中获得约90%的纤维素和半纤维素(较短的聚合物链)。

最终的产品，刚它以绒毛或颗粒的形式出售，作为沥青添加剂和绝缘材料出售。它的第一个商业应用是在一公里长的荷兰自行车道．至于这种材料是否会出现在服装和家居用品等更多的个人产品中是另一回事，但韦塞尔斯表示，他们在荷兰的研究结果表明，人们对用过的厕纸制成的材料比你想象的要热情得多。他说:“人们对我们正在做的事情的普遍看法是相当积极的，即使我们把它加工成桌子、花盆或可以在家附近使用的东西。”

从淡水河谷的角度来看，下一个最理想的材料是生物塑料的原料，就像Carbonera工厂生产的那种。在这里，与Fatone的链接可能会派上用场。在Carbonera，来自废水的富含纤维素的污泥在一个反应器中发酵，在那里它成为专门的细菌，积累PHA聚合物作为能量来源。当碳突然过量时，细菌自然地从短链脂肪酸中制造和储存聚合物。他们也在一个污泥反应器中在饥荒-饥荒的条件下这样做，这意味着有可能对这些菌株进行富集，并说服它们制造大量的PHA。法通解释说，棘手的是，在不使用刺激性化学物质的情况下提取多环芳烃。他说:“除此之外，我们正在尽最大努力实现一个清洁绿色的过程，然后我们使用氯仿进行萃取。”因此，一个挑战是找到不太昂贵的绿色溶剂。

通过使用更苛刻的化学物质，他们也可以得到比合成PHA产品更好的更纯净的产品。但这并不是目的，事实上，这可能会降低聚合物本身的质量。最终的粉末状产品含有不同结构的PHAs的混合物，羟基戊酸盐型PHAs由于其优越的强度和灵活性而最理想。更大程度的净化有破坏链的风险，从而降低价值。合成的pha用于生物可降解的医疗设备，但Fatone希望回收的聚合物能够找到市场和应用，不需要高度纯化。

在市场上寻求改变

随着纤维素和PHA的回收，将产品与市场结合将是关键。在技术方面，它们已经在模块化加工厂进行了全面演示;升级仅仅意味着增加更多的模块。更大的问题是为那些没有标准的产品建立市场，这些产品来自花露水。尽管韦塞尔斯谈到了公众的看法，但很容易看出为什么行业可能会保持警惕。Fatone和他的SMART-Plant同事目前正在与欧盟委员会和各国政府讨论这个问题。他说，我们必须对这些回收材料进行标准化评估。“例如，建筑行业或化肥行业需要进行哪些标准测试?”“他们已经在监测一些污染物，包括重金属和某些药物，并发现含量较低，尽管在生活污水和下水道混合的地方，污染可能会造成更大的问题。”

你可以从污水中产生甲烷、氨和二氧化碳等气流

Severn Trent Water的Pete Vale

最终，除非污水处理厂能找到客户出售他们升级后的产品，否则这些产品仍然是废物——不比Spernal的大红色箕斗里的东西好多少。不过，淡水河谷对前景的乐观态度令人耳目一新，他的目标是确保进入他的领域的所有东西都是可再生的，或者很快就会被重复利用。当我们站在新水泵旁聊天时，他指着一辆刚刚停了下来的电动货车，思考着箕斗里的东西，这些东西可以用来通过热解产生能源，而不是被扔进垃圾填埋场。当被问及从污水中回收蛋白质的未来可能性时，他提出了一个听起来很“古怪”的想法，即回收蛋白质，用于牲畜或水产养殖的饲料。他说:“你可以从污水中产生气体流——甲烷、氨、二氧化碳——所有你需要产生单细胞微生物蛋白质的东西。”

说不定里面还有金子呢。去年，英国伍尔弗汉普顿大学的研究人员报告了初步研究结果对污水污泥中的贵金属含量，发现金、银、铂和铜的混合物。不过，不可否认的是，你可能每年从英国的全部污水产出中得到的黄金和铂金不到一吨。淡水河谷表示，可能有回收铂的空间，也许还有铑，这两种物质都来自催化转换器，从道路上被冲入下水道。但它们可能必须通过热解污泥从灰烬中回收，这将意味着改变英国处理污泥的方式。

俯视着已经完成了自己的工程之旅并准备返回Arrow河的清洁水，Vale思考着新加坡的污水超处理系统，然后将其直接送回水龙头。这是提高水处理效率的另一种选择，尽管在英国遇到了公众的看法问题。然而，正如Vale所指出的那样，即使在这里，“(水)被排放到河流中，然后在下游几英里处会有一个水处理厂，将水从河流中提取出来，进行处理，并将其输入供水系统。”所以其实并没有什么不同。“不知怎的，我们忘记了，当我们认为是废物的水离开污水处理厂时，却变成了下游几英里外的重要资源。同样，我们把含有磷和氮的污水污泥作为肥料撒在地里，但当它离开污水处理厂时，我们没有赋予它任何价值。塞文·特伦特自掏腰包来运送，只收取象征性的污泥费。所以，也许是时候开始看到我们冲进厕所的东西的价值了。污水处理厂不再是过去的废物处理场，而是未来的生物精炼厂。

海莉·贝内特是英国布里斯托尔的科学作家