已经到了21世纪，应将废水处理看作水资源的重复使用，将水体中的化学物质和材料当作回收有用的能量和材料的来源。将中水中的纯净水和有机物、无机物分离开来不仅对人类健康和环境安全很有必要，还应当被看作重新获得有用资源的一种方式。在一个可持续发展、环境友好的社会中，理想的情况是废水中包含的所有资源包括水本身都应回收利用。

能源也应被当作可从废水中回收的一种资源。现在已经能做到从废水处理的剩余固体物中回收甲烷。然而，还有其他从废水中获取能量的方法可能比现有的办法效率更高，比如，厌氧消化（或者更新的如厌氧膜生物反应器）通过产生甲烷真正地获得了能量。研究和应用这些方法可以将废水变成可重复使用的水，还能将转化过程变成一个能量产出的过程。

最需要大量回收的资源当然是达标纯度的水。从各种处理过程中得到的水需要达到的质量标准取决于它的最终用途，比如，排入自然水系中、非食品或食品农业灌溉、工业过程中的重复使用或者再次当作饮用水。

可以从水体中回收的材料包括金属（如金、锂）、营养元素（如磷酸盐、氮、钾）、其他盐类和化学物质，还有一些颇有争议的就是像类固醇激素、药物或脂类等有机物。

专注于这些机遇可激励我们更加深入研究水资源重复使用，也使其对私人投资和公共投资更具吸引力。

 

水的颜色与其来源
灰色水	不含有粪便污染的来自居民区或办公区的所有废水，如，除来自马桶的所有废水源
黑色水	来自马桶的废水
绿色水	土壤中自然存储的水
蓝色水	从河道、湿地、湖泊和含水层中抽取的水

 

1现状

目前全球范围内，各个国家关于生物固体（污水中的固体物质）的管理现状各有不同。并且，这一现状还取决于市政或工业废水/污泥是否被考虑其中。许多国家，大多数生物固体会用到农田里、焚烧或者填埋，个别国家会回收一部分。但是，一些处理工厂展示了将其进行资源回收的潜能。在意大利都灵建设的一个处理厂中安装的175kW Demosofc（示范性固体氧化物燃料电池）燃料电池发电机，其产生的能量已经可以满足该厂1/4的能量需求。该燃料电池是由处理厂厌氧消化产生的沼气推动的。在日本大阪、奥地利斯特劳斯和英国的好几个地方都有类似的使用回收能源的示范工厂。

像在英国斯托克巴道夫和Minworth的一些创新的水处理工厂可以实现磷和氮元素的回收（见第21页的关于厌氧氨氧化菌的案例分析）。

其他地方，也有从废水污泥中回收活性炭、金、银、钯和铂的例子。据报道，日本诹访市的一家水处理工厂能从每吨垃圾焚烧灰中回收2kg金。这表明垃圾焚烧遗灰的含金量是世界上一些富金矿中矿石含金量的50倍^[23]。这种异乎寻常的高含量，是因为这些工厂的集水区涵盖了使用贵金属的工厂。在长野县丰田汽车集团的另一个水处理工厂，每年总生成的70吨灰能够产出22kg金。日本科学家正积极研发从废水（包括污泥）中回收其他有价值材料的方法(见 22页的案例研究)。

2面临的挑战

在不远的将来，一些资源必须依赖从废水中回收才能避免供给短缺和/或因有限的自然来源导致的政治紧张局势，例如，最明显的例子是磷，该元素的主要矿藏就是在有争议的地区（西撒哈拉）发现的。人为或者自然引发的资源短缺也很有可能主要与供应源单一有关。此外，所有试图使世界经济更可持续、可循环地发展的努力都要在资源回收上下大工夫，比如，目前磷元素的使用存在着很大程度的浪费。

从废水中回收稀有金属是可行的，但需要方法改进使其更加经济合算。最有希望回收的金属有银、铜、金、铁、钯、锰、锌。日本的科学家已经对更稀有的元素如硒、碲和钒等的回收展开研究。

至于回收水用于直接饮用或者回收将会进入食物链的东西，难点是使大众信任回收物在卫生方面的纯度。而且，公众对相关项目/技术的看法和接受程度也非常重要。

这个领域的战略目标是重构整个处理过程，不再将强制进行废水处理后再排放到水体中的规定视为一个负担，而是视为开采各种有价值物质的机遇。因此，资源回收想法的落实需要从基础研究到实际应用等各个层面上的支持。

为推进重复用水的理念，需要重点考虑以下几点：

• 废水中所包含的资源包括水、能源、营养元素、金属、盐类和其他有价值的东西；

• 为满足多种目标和使用标准，资源回收设施必须以节能为导向，并且要考虑系统层面上的实施办法；

• 应该鼓励探索新的化学方法或发展更先进的材料来提取和利用从废水中回收或生产的材料；

• 由于采用了不同的技术和经济标准来衡量什么是最好的、成本收益比最高且适合当地环境的方案，所建立设施的规模、来源（市政还是工业）、推动因素/有利因素/不利因素（如立法层面、政府层面、基础设施层面的限制等）也有所不同，这些都解释了为什么参加本次研讨会的5个国家到目前为止所取得的成果各不相同。

• 有必要研究和发展能够促进落实合适的制度框架以及提供恰当营销策略以增加回收材料的使用的举措。

最终，对废水中所获回收资源的高效利用以及对它们进行恰当的风险预估将是向着循环经济目标迈进的重要一步。

3为什么需要化学的帮助？

在很多重要领域已经有了相当大的进展，为促进未来更大的进步，CS3的与会者们指出了在该领域的研究和发展中需要解决的技术和能力，包括以下几点：

• 将能源存储纳入考虑的从水成分中生产和提取能源的技术，以及使其与当前能源网络相兼容的方法；

• 新的能够表征和监测资源回收设备所用原材料的组分以及变化的化学方法——可通过内联传感，也可以是远程传感；

• 适应废水中潜在资源的复杂多变性及其对分离提纯过程造成的影响的能力；

• 对能量产额进行预估以及可当作原材料使用的潜力的判定方法；

• 能够实现根据营养元素的生物可利用度和化学形态而对其进行高效回收和再利用（而不仅仅是将它们从水体中去除）的技术；

• 实现根据金属的形态、纯度和价值来对其进行高效回收和再利用的有关技术；

• 促进产品生产的新的化学方法和技术；

• 从废水中的有机物中提取能源的技术可行、经济适用的新材料和新工程工艺，其能够使整个过程获得净能量；

• 对原始基质进行分析的方法以及对产品及其能否作为（比如生物塑料、酶、有生物活性的化学物质）回收化学物质的原材料（凝结剂）或向其他物质转化的潜力进行评估的技术。

 

英国的一个案例分析：简化氮循环

人们十几年前发现一个可高效去除水体中的含氮化合物的细菌处理过程。

一个来自空气中的氮原子的循环路径经由化学肥料、植物、动物或人类、废水，最终回到大气中，这一过程非常复杂，尤其是因为它在完全还原状态（氨）和完全氧化态（硝酸盐）之间转化了好几次。Haber-Bosch过程使大气中的氮元素得以利用，比如，产生氨，氨再被氧化生成氮肥。在这个循环过程的末端，废水中的氨被氧化成硝酸盐，然后硝酸盐被还原成分子形态的氮气。

20世纪90年代中期，厌氧氨氧化（anammox）这一神奇发现及其在水处理程序中工业规模的应用极大地降低了从废水中移除氨的成本和复杂性，该过程将氨重新转变成分子态氮，这种转变堪称完美，因为氮气是一种主要的空气组分。在anammox工艺的第一步，亚硝化单胞菌将部分氨转化成亚硝酸盐，之后在厌氧菌的作用下，亚硝酸盐与剩余的氨气反应生成分子态氮。其中的第二步大规模的发生在海洋中缺氧的地方，据估计，空气中1/3~1/2自然生成的氮气都是由该过程产生的。

在代尔夫特建立了一个anammox的模型工厂之后，荷兰又建成了另外两个工厂。在英国，伯明翰附近的Minworth，一个主要服务于170万人的大型处理厂最近引进了anammox技术。该工厂进行技术优化，使用anammox，在除氮的同时可实现深度脱磷。每天最多可除氮50吨，占该工厂废水中氮含量的90%以上。

这个工艺比传统除氨方法成本低很多，占用空间小，对曝气和化学物质的需求少。该工厂污泥和二氧化碳排放量也比使用传统方法少很多，是因为anammox菌生长相对缓慢。这一工厂在2013年全面运转。

 

日本的一个案例分析：污泥淘“金”

假如处理废水不是负担而是一个资源回收的“金矿”，情况会是怎么样？日本拥有世界顶级的技术，可从废水处理中剩余的生物固体和垃圾焚烧遗灰中“淘金”。

一家岛根县的工厂可以从污水污泥中回收磷酸盐，并结晶成磷酸镁铵（MAP）。至少有两家工厂可以从垃圾焚烧遗灰中回收黄金，并且保证金属回收过程是赚钱的。然而，日本的大部分污水（77%）仍未开发，单纯当作废物来处理。

这方面的难点在于开发能够低成本地提取原料并产出高价值的产品的技术，这样才能用所得资金回补资助整个水处理过程。现有的物理-化学分离方法并不能很好地适用于将某个浓度很低的特定的粒子或者化合物从非常复杂的、不好预测其组分的混合物中提取出来。此外，还需要消耗大量的能量和/或额外材料，导致整个过程经济性差且不利于生态平衡。

因此，日本科学家正在研究回收有稀有元素的生物学方法，包括微生物金属代谢。微生物可以从固体中提取出一些物质，使它们挥发，吸附或者矿化它们。这些相态转化过程可能包含有化学转化比如氧化/还原、甲基化作用或者氢化作用。

作为一个用微生物方法从废水中回收元素的例子，日本大阪大学的Michihiko Ike及其同事研发了一个矿化硒元素的过程。硒元素存在于在生产铜的工业废水中，以溶于水的形式如硒酸盐和亚硒酸盐存在时，毒性很大，必须去除。同时硒也十分珍稀，从废水中对硒元素的定向提取和后续的回收非常有价值。但是现有的技术对其进行回收时效率很低。

在大阪研发的原型技术使用斯氏假单胞菌（Pseudomonas stutzeri ）NT- I的菌株将可溶性硒化合物还原成硒元素，也就是0价硒。这个革兰氏阴性需氧菌最初是从排放含硒废水的管道里出现的生物膜上被发现的^[1]。神奇的是，这种细菌能分离出不溶于水且无害的纳米粒子形态的0价硒，可以很容易从液体介质中移除。科学家们首先建立了中试规模的反应器测试该技术的潜能。因为硒元素在气体状态很容易捕获，他们还研究了将其进行甲基化生成气体产物来回收硒元素的可能性^[2]。

类似硒元素这样，通过细菌将物质还原到一个不易溶解的状态，也适用于一些其他的金属，包括铬、钒、碲、铂、铀和锝等的回收。这种回收技术的大规模应用有可能将成本巨大的废水处理工程变成一种崭新的有利可图的开发过程。

参考文献：

(1) M. Kuroda et al., Journal of Bioscience and Bioengineering 2011, 112, 259-264.DOI: 10.1016/j.jbiosc.2011.05.012

(2) T. Kagami et al., Water Research, 2013, 47, 1361-1368