國際視角：藻類污水處理及其資源化

評估藻類

       水華是由于水體富營養化導致水體產生死區，在死區內，水中溶解氧被消耗殆盡，使得水生生物難以生存。
       如果沒有人類活動的干預，水體富營養化是一個緩慢而自然的過程，可能需要數千年才會產生。然而，絕大多數水體死區的產生可歸因于人類活動導致的水體氮、磷失衡，主要是由于化肥流失。
       然而，并非所有藻類生長都是不利的。實際上，藻類是水體自凈的主要參與者之一。藻類進行光合作用，利用陽光將CO2和水轉化為O2和有機物。當藻類生長狀況得當，光合作用不僅可以使水體復氧，而且可以通過生物同化作用消耗水體中的營養物。藻類污水處理便利用了這一自然過程。

 

什么是藻類污水處理？

       藻類污水處理技術從4個方面遵循循環經濟戰略：1）使水回用更加容易；2）減少化學藥劑等原料消耗；3）碳封存；4）提供大量可回收資源。目前市場上藻類污水處理技術眾多，大致可分為以下3類：循環池、光生物反應器和旋轉生物膜反應器。

       循環池（即氧化溝形式）是技術最成熟、形式最簡單的藻類污水處理方式之一，由閉環系統開放式、狹窄的淺層池構成，依靠槳輪來帶動水體流動。

圖1  循環池
（圖片來自Aquatech）

       光生物反應器（PBRs）是指在封閉容器內培養藻類，這意味著可以通過調節環境條件（如光照）來控制藻類生長。

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

       旋轉生物膜反應器通常指置于溫室內的開放式容器，其中藻類在旋轉容器（如，垂直皮帶或輪子）上的生物膜上培養。通過旋轉將生物膜從水中帶出，以增加光照，從而增加藻類生產力。每種技術都可能用于污水處理過程中的不同位置，包括二級、三級和側流處理，但三級處理市場最為飽和。

 

使非飲用水回用更具有可能性

       藻類污水處理主要為低成本污水處理創造了條件，改善了獲得安全管理的衛生設施機會，但最近隨著水資源短缺威脅變為現實，非飲用水回用正在成為一個關鍵驅動力。在藻類污水處理的工業應用中，從排放到回用的轉變，通常用于冷卻系統，已被指出是一個驅動力。
       雖然藻類處理在技術上具有一定的自然紫外線消毒能力，但要達到飲用水或其它高質量回用水監管水準，還需要升級處理技術。
       OneWater的AlgaeWheel（一種在旋轉輪上培養藻類的旋轉生物膜技術）是全球藻類二級污水處理市場上的佼佼者，該技術配備25個裝置，在二級污水處理領域的競爭對手少。雖然環境衛生是其應用的主要驅動力，但它也在充分利用水的回用價值。

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

       OneWater最近在埃及安裝的1 000 m3（未來將擴大到2 000 m3）裝置主要目的是衛生、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在西班牙和沙特阿拉伯的裝置也側重于非飲用水回用，包括用于灌溉或沖廁。

 

減少對材料依賴

       使用藻類污水處理可以減少污水處理廠化學藥劑使用和能源消耗。對于二級污水處理，藻類技術非常具有應用前景，因為其無需曝氣，而曝氣是污水處理過程中最消耗能源的一個過程。
       根據GWI研究，公共事業供水和污水處理基礎設施消耗了全球3~7%的電力，其中，曝氣系統占污水處理廠能源消耗的60~70%。由于藻類污水處理能利用藻類光合作用為水體充氧，因而能將其作為傳統曝氣的替代解決方案。這在全球推動碳減排過程中變得特別有利，并且由于其最低的能源需求，使的離網設施成為可能。例如，OneWater已經處于設計4個完全離網系統的后期階段。
       傳統三級處理方法在很大程度上依賴于化學藥劑使用，如，FeCl3/Fe2(SO4)3。這些金屬鹽類投加不僅增加污水處理廠碳排放，而且使其運營容易受到藥劑供應鏈的影響，并可能將Fe鹽排放到水體中。相比之下，藻類處理技術則具有吸引力，因為它們消耗更少的能源，并且無需投加化學藥劑、減少污水處理廠碳排放、降低運營成本和工藝復雜性。
       隨著營養物管理日益成為全球關注焦點，規模較小的集聚區首次面臨監管壓力。歐盟于2022年10月公布了修訂《污水框架指南》提案，將監管范圍從人口當量為2 000（約為處理規模1 000 m3/d）的污水處理廠修改為1 000人口當量（處理規模約為500 m3/d），推動了簡單和低成本營養物管理需求。
       對環境敏感地區保護也為營養物管理創造了市場機會，防止下游富營養化對于保護獨特而珍貴的生態系統至關重要。大型藻類循環池供應商Pacific Bio正在抓住這個機會，在澳大利亞大堡礁集水區有3個正在進行的RegenAqua技術項目。

圖4  RegenAqua生物修復技術
（圖片來自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

       藻類光合作用的另一個優勢在于消耗大氣中的CO2，本質上是一種直接的空氣碳捕獲形式。藻類生物質可以從處理系統中被收獲，碳被封存并儲存在生物質中。然后，這種生物質可以增值成為資源。由于這種能力，藻類污水處理有可能在碳信用市場上發揮作用，創造新的收入來源。
       雖然大多數市場參與者看到了碳信用市場的未來價值，但這并不是他們目前盈利的方式，因為整個市場仍處于早期發展階段。OneWater將成為該市場早期參與者之一，未來項目計劃產生碳信用額度。
       藻類污水處理碳封存額度非常可觀，英國三級處理提供商I-PHYC聲稱其處理技術每產生1 kg藻類可以吸收84.2 kg CO2，這意味著人口當量為1 000（處理規模約為500 m3/d）的污水營養物廠，一年大約可以封存17 t CO2。
       藻類污水處理技術的協同作用能夠有效地減少營養物污染和碳排放，這些優勢使得其更加具有吸引力，與不斷發展的公用事業的重點相一致。Gross-Wen Technologies正在新加坡進行旋轉式藻類生物膜（RAB）技術的試點就證明了這一點，該公司是國家公共事業PUB零碳挑戰賽的獲勝者之一。該公司的技術是在一個旋轉的垂直帶上培養藻類，盡可能地增加高度，并最大限度地減少系統的占地面積。

 

利用污水中藻類生產高附加值產品

       用于污水處理的藻類生物質必須被捕獲，為其增值資源價值創造機會。雖然大多數正在運行中的藻類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，將捕獲的藻類生物質進行填埋。但該領域一些領先創新者已經將回收的藻類附加產品投放市場。
       Gross-Wen Technologies將客戶的藻類生物質轉化為顆粒肥料。該公司與客戶達成了一項回購生物質的協議，這集中了肥料的生產，并將處置成本轉化為收入流。與傳統污水污泥生物固體一樣，處理污水后的藻類生物質具有很高的營養成分，同時具有碳封存的額外好處。其它使用污水藻類生物質的產品已經進入市場，包括生物塑料、油墨和染料。美國三級處理專業公司CLEARAS與BLOOM和Living Ink都有合作關系，均基于藻類塑料、泡沫和油墨產品商業化。
       其它基于藻類的附加產品仍處于研發階段。其中一個有前途的重點領域是生物燃料，特別是可持續航空燃料（SAF），對質量要求高、同時需求量大。盡管生物燃料中封存的碳最終在燃燒過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最初是在藻類生長階段從大氣中吸收的，因而是零碳排放。

圖5  生物燃油
（圖片來自Aquatech）

       然而，如果藻類污水處理廠規模和普及程度提高，商業案例可能會發生改變。
       盡管如此，各種美國海藻污水處理技術公司已經獲得政府資金支持，用于研究基于藻類生產的生物燃料，包括SAF和生物原油。最近關注的一個領域是使用水熱液化技術來制造生物原油，因為這個過程可以使用濕原料，無需干燥藻類生物質。
       然而，一個容易實現的目標可能是生物甲烷運輸燃料，由藻類生物質厭氧消化和進一步純化產生。Aqualia通過其全天然氣項目（2019-2011）證明了這一概念的可行性。與生物原的生產相比，生物甲烷生產要更為簡單，并且能耗更低，但大多數市場參與者認為生物甲烷是一種價值較低的產品。