國(guó)際視角：藻類(lèi)污水處理及其資源化

評(píng)估藻類(lèi)

       水華是由于水體富營(yíng)養(yǎng)化導(dǎo)致水體產(chǎn)生死區(qū)，在死區(qū)內(nèi)，水中溶解氧被消耗殆盡，使得水生生物難以生存。
       如果沒(méi)有人類(lèi)活動(dòng)的干預(yù)，水體富營(yíng)養(yǎng)化是一個(gè)緩慢而自然的過(guò)程，可能需要數(shù)千年才會(huì)產(chǎn)生。然而，絕大多數(shù)水體死區(qū)的產(chǎn)生可歸因于人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致的水體氮、磷失衡，主要是由于化肥流失。
       然而，并非所有藻類(lèi)生長(zhǎng)都是不利的。實(shí)際上，藻類(lèi)是水體自?xún)舻闹饕獏⑴c者之一。藻類(lèi)進(jìn)行光合作用，利用陽(yáng)光將CO2和水轉(zhuǎn)化為O2和有機(jī)物。當(dāng)藻類(lèi)生長(zhǎng)狀況得當(dāng)，光合作用不僅可以使水體復(fù)氧，而且可以通過(guò)生物同化作用消耗水體中的營(yíng)養(yǎng)物。藻類(lèi)污水處理便利用了這一自然過(guò)程。

 

什么是藻類(lèi)污水處理？

       藻類(lèi)污水處理技術(shù)從4個(gè)方面遵循循環(huán)經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略：1）使水回用更加容易；2）減少化學(xué)藥劑等原料消耗；3）碳封存；4）提供大量可回收資源。目前市場(chǎng)上藻類(lèi)污水處理技術(shù)眾多，大致可分為以下3類(lèi)：循環(huán)池、光生物反應(yīng)器和旋轉(zhuǎn)生物膜反應(yīng)器。

       循環(huán)池（即氧化溝形式）是技術(shù)最成熟、形式最簡(jiǎn)單的藻類(lèi)污水處理方式之一，由閉環(huán)系統(tǒng)開(kāi)放式、狹窄的淺層池構(gòu)成，依靠槳輪來(lái)帶動(dòng)水體流動(dòng)。

圖1  循環(huán)池
（圖片來(lái)自Aquatech）

       光生物反應(yīng)器（PBRs）是指在封閉容器內(nèi)培養(yǎng)藻類(lèi)，這意味著可以通過(guò)調(diào)節(jié)環(huán)境條件（如光照）來(lái)控制藻類(lèi)生長(zhǎng)。

圖2  Algaemaster 10 control光生物反應(yīng)器
（圖片來(lái)自https://www.ika.com/zh/Products-LabEq/Photo-Bioreactors-pg912/Algaemaster-10-control-20009577/）

       旋轉(zhuǎn)生物膜反應(yīng)器通常指置于溫室內(nèi)的開(kāi)放式容器，其中藻類(lèi)在旋轉(zhuǎn)容器（如，垂直皮帶或輪子）上的生物膜上培養(yǎng)。通過(guò)旋轉(zhuǎn)將生物膜從水中帶出，以增加光照，從而增加藻類(lèi)生產(chǎn)力。每種技術(shù)都可能用于污水處理過(guò)程中的不同位置，包括二級(jí)、三級(jí)和側(cè)流處理，但三級(jí)處理市場(chǎng)最為飽和。

 

使非飲用水回用更具有可能性

       藻類(lèi)污水處理主要為低成本污水處理創(chuàng)造了條件，改善了獲得安全管理的衛(wèi)生設(shè)施機(jī)會(huì)，但最近隨著水資源短缺威脅變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，非飲用水回用正在成為一個(gè)關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。在藻類(lèi)污水處理的工業(yè)應(yīng)用中，從排放到回用的轉(zhuǎn)變，通常用于冷卻系統(tǒng)，已被指出是一個(gè)驅(qū)動(dòng)力。
       雖然藻類(lèi)處理在技術(shù)上具有一定的自然紫外線消毒能力，但要達(dá)到飲用水或其它高質(zhì)量回用水監(jiān)管水準(zhǔn)，還需要升級(jí)處理技術(shù)。
       OneWater的AlgaeWheel（一種在旋轉(zhuǎn)輪上培養(yǎng)藻類(lèi)的旋轉(zhuǎn)生物膜技術(shù)）是全球藻類(lèi)二級(jí)污水處理市場(chǎng)上的佼佼者，該技術(shù)配備25個(gè)裝置，在二級(jí)污水處理領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手少。雖然環(huán)境衛(wèi)生是其應(yīng)用的主要驅(qū)動(dòng)力，但它也在充分利用水的回用價(jià)值。

圖3  Algaewheel示意圖
（圖片來(lái)自http://algaewheel.com/our-technology/）

       OneWater最近在埃及安裝的1 000 m3（未來(lái)將擴(kuò)大到2 000 m3）裝置主要目的是衛(wèi)生、灌溉再利用以及維持尼羅河水位。該公司在墨西哥的各種裝置以及未來(lái)在西班牙和沙特阿拉伯的裝置也側(cè)重于非飲用水回用，包括用于灌溉或沖廁。

 

減少對(duì)材料依賴(lài)

       使用藻類(lèi)污水處理可以減少污水處理廠化學(xué)藥劑使用和能源消耗。對(duì)于二級(jí)污水處理，藻類(lèi)技術(shù)非常具有應(yīng)用前景，因?yàn)槠錈o(wú)需曝氣，而曝氣是污水處理過(guò)程中最消耗能源的一個(gè)過(guò)程。
       根據(jù)GWI研究，公共事業(yè)供水和污水處理基礎(chǔ)設(shè)施消耗了全球3~7%的電力，其中，曝氣系統(tǒng)占污水處理廠能源消耗的60~70%。由于藻類(lèi)污水處理能利用藻類(lèi)光合作用為水體充氧，因而能將其作為傳統(tǒng)曝氣的替代解決方案。這在全球推動(dòng)碳減排過(guò)程中變得特別有利，并且由于其最低的能源需求，使的離網(wǎng)設(shè)施成為可能。例如，OneWater已經(jīng)處于設(shè)計(jì)4個(gè)完全離網(wǎng)系統(tǒng)的后期階段。
       傳統(tǒng)三級(jí)處理方法在很大程度上依賴(lài)于化學(xué)藥劑使用，如，F(xiàn)eCl3/Fe2(SO4)3。這些金屬鹽類(lèi)投加不僅增加污水處理廠碳排放，而且使其運(yùn)營(yíng)容易受到藥劑供應(yīng)鏈的影響，并可能將Fe鹽排放到水體中。相比之下，藻類(lèi)處理技術(shù)則具有吸引力，因?yàn)樗鼈兿母俚哪茉?，并且無(wú)需投加化學(xué)藥劑、減少污水處理廠碳排放、降低運(yùn)營(yíng)成本和工藝復(fù)雜性。
       隨著營(yíng)養(yǎng)物管理日益成為全球關(guān)注焦點(diǎn)，規(guī)模較小的集聚區(qū)首次面臨監(jiān)管壓力。歐盟于2022年10月公布了修訂《污水框架指南》提案，將監(jiān)管范圍從人口當(dāng)量為2 000（約為處理規(guī)模1 000 m3/d）的污水處理廠修改為1 000人口當(dāng)量（處理規(guī)模約為500 m3/d），推動(dòng)了簡(jiǎn)單和低成本營(yíng)養(yǎng)物管理需求。
       對(duì)環(huán)境敏感地區(qū)保護(hù)也為營(yíng)養(yǎng)物管理創(chuàng)造了市場(chǎng)機(jī)會(huì)，防止下游富營(yíng)養(yǎng)化對(duì)于保護(hù)獨(dú)特而珍貴的生態(tài)系統(tǒng)至關(guān)重要。大型藻類(lèi)循環(huán)池供應(yīng)商Pacific Bio正在抓住這個(gè)機(jī)會(huì)，在澳大利亞大堡礁集水區(qū)有3個(gè)正在進(jìn)行的RegenAqua技術(shù)項(xiàng)目。

圖4  RegenAqua生物修復(fù)技術(shù)
（圖片來(lái)自https://www.awa.asn.au/resources/latest-news/world-first-treatment-technology-set-to-tackle-nutrient-runoff-in-the-great-barrier-reef-and-beyond）

 

同步固碳

       藻類(lèi)光合作用的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于消耗大氣中的CO2，本質(zhì)上是一種直接的空氣碳捕獲形式。藻類(lèi)生物質(zhì)可以從處理系統(tǒng)中被收獲，碳被封存并儲(chǔ)存在生物質(zhì)中。然后，這種生物質(zhì)可以增值成為資源。由于這種能力，藻類(lèi)污水處理有可能在碳信用市場(chǎng)上發(fā)揮作用，創(chuàng)造新的收入來(lái)源。
       雖然大多數(shù)市場(chǎng)參與者看到了碳信用市場(chǎng)的未來(lái)價(jià)值，但這并不是他們目前盈利的方式，因?yàn)檎麄€(gè)市場(chǎng)仍處于早期發(fā)展階段。OneWater將成為該市場(chǎng)早期參與者之一，未來(lái)項(xiàng)目計(jì)劃產(chǎn)生碳信用額度。
       藻類(lèi)污水處理碳封存額度非?？捎^，英國(guó)三級(jí)處理提供商I-PHYC聲稱(chēng)其處理技術(shù)每產(chǎn)生1 kg藻類(lèi)可以吸收84.2 kg CO2，這意味著人口當(dāng)量為1 000（處理規(guī)模約為500 m3/d）的污水營(yíng)養(yǎng)物廠，一年大約可以封存17 t CO2。
       藻類(lèi)污水處理技術(shù)的協(xié)同作用能夠有效地減少營(yíng)養(yǎng)物污染和碳排放，這些優(yōu)勢(shì)使得其更加具有吸引力，與不斷發(fā)展的公用事業(yè)的重點(diǎn)相一致。Gross-Wen Technologies正在新加坡進(jìn)行旋轉(zhuǎn)式藻類(lèi)生物膜（RAB）技術(shù)的試點(diǎn)就證明了這一點(diǎn)，該公司是國(guó)家公共事業(yè)PUB零碳挑戰(zhàn)賽的獲勝者之一。該公司的技術(shù)是在一個(gè)旋轉(zhuǎn)的垂直帶上培養(yǎng)藻類(lèi)，盡可能地增加高度，并最大限度地減少系統(tǒng)的占地面積。

 

利用污水中藻類(lèi)生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品

       用于污水處理的藻類(lèi)生物質(zhì)必須被捕獲，為其增值資源價(jià)值創(chuàng)造機(jī)會(huì)。雖然大多數(shù)正在運(yùn)行中的藻類(lèi)污水處理廠要么選擇厭氧消化，要么施用于土地，或者在不得已的情況下，將捕獲的藻類(lèi)生物質(zhì)進(jìn)行填埋。但該領(lǐng)域一些領(lǐng)先創(chuàng)新者已經(jīng)將回收的藻類(lèi)附加產(chǎn)品投放市場(chǎng)。
       Gross-Wen Technologies將客戶(hù)的藻類(lèi)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為顆粒肥料。該公司與客戶(hù)達(dá)成了一項(xiàng)回購(gòu)生物質(zhì)的協(xié)議，這集中了肥料的生產(chǎn)，并將處置成本轉(zhuǎn)化為收入流。與傳統(tǒng)污水污泥生物固體一樣，處理污水后的藻類(lèi)生物質(zhì)具有很高的營(yíng)養(yǎng)成分，同時(shí)具有碳封存的額外好處。其它使用污水藻類(lèi)生物質(zhì)的產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)，包括生物塑料、油墨和染料。美國(guó)三級(jí)處理專(zhuān)業(yè)公司CLEARAS與BLOOM和Living Ink都有合作關(guān)系，均基于藻類(lèi)塑料、泡沫和油墨產(chǎn)品商業(yè)化。
       其它基于藻類(lèi)的附加產(chǎn)品仍處于研發(fā)階段。其中一個(gè)有前途的重點(diǎn)領(lǐng)域是生物燃料，特別是可持續(xù)航空燃料（SAF），對(duì)質(zhì)量要求高、同時(shí)需求量大。盡管生物燃料中封存的碳最終在燃燒過(guò)程中被釋放回大氣中，但生物燃料仍然可以被視為碳中和。這是由于釋放的CO2最初是在藻類(lèi)生長(zhǎng)階段從大氣中吸收的，因而是零碳排放。

圖5  生物燃油
（圖片來(lái)自Aquatech）

       然而，如果藻類(lèi)污水處理廠規(guī)模和普及程度提高，商業(yè)案例可能會(huì)發(fā)生改變。
       盡管如此，各種美國(guó)海藻污水處理技術(shù)公司已經(jīng)獲得政府資金支持，用于研究基于藻類(lèi)生產(chǎn)的生物燃料，包括SAF和生物原油。最近關(guān)注的一個(gè)領(lǐng)域是使用水熱液化技術(shù)來(lái)制造生物原油，因?yàn)檫@個(gè)過(guò)程可以使用濕原料，無(wú)需干燥藻類(lèi)生物質(zhì)。
       然而，一個(gè)容易實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)可能是生物甲烷運(yùn)輸燃料，由藻類(lèi)生物質(zhì)厭氧消化和進(jìn)一步純化產(chǎn)生。Aqualia通過(guò)其全天然氣項(xiàng)目（2019-2011）證明了這一概念的可行性。與生物原的生產(chǎn)相比，生物甲烷生產(chǎn)要更為簡(jiǎn)單，并且能耗更低，但大多數(shù)市場(chǎng)參與者認(rèn)為生物甲烷是一種價(jià)值較低的產(chǎn)品。