基于物质定向转化/转移的城市污水再生回用深度处理新技术原理

Traditional processes for wastewater treatment and reclamation consume a large quantity of energy and material to remove pollutants and thus produce reclaimed water. However, carbon, nitrogen and phosphorous, which are considered as 'pollutants' in those traditional processes, are actually valuable resources which can be recovered. The present project proposes a novel process for wastewater treatment and reuse, which is targeted at simultaneously achieving upmost recovery of resources stored in wastewater and reclamation of water. Based on the principles of electrochemistry, bio-electrochemistry and membrane separation, carbon in wastewater is specifically converted to electricity, which can be utilized to drive the recovery of nitrogen and phosphorous by the oriented transferring under electric field, and the removal of micro-organic pollutants by electrochemical technologies coupled with ozonation. Consequently the resources (carbon, nitrogen and phosphorous) are recovered and clean and safe reclaimed water is produced. Three components (carbon conversion, nitrogen and phosphorous recovery and micro-organic pollutants removal) will be investigated, and the feasibility to recovery resources and reclaim water by the energy produced from carbon is evaluated by elucidating the energy flow and material flow in the coupling process. This project aims at building theoretical and technological foundation for the new process to simultaneously recover resources and reclaim water by utilizing the energy of wastewater itself. This study is of great importance to realizing energy saving, emission reduction and resource recovery during municipal wastewater treatment and reclamation.

污水中所含的碳、氮、磷，都是宝贵的"有用资源"，但传统的城市污水处理与再生工艺却将这些物质视为污染物，通过投入大量的能耗和物耗予以去除以获取再生水。本项目提出以城市污水中蕴藏的资源的最大化利用和水再生利用为目标，基于电化学、生物电化学、膜分离的原理，将污水中的碳物质定向转化为电能，以此驱动氮磷定向转移回收及电化学耦合臭氧氧化强化对微量有机物等的去除，以达到资源回收和污水再生回用深度处理的目的。通过研究各单元技术的构建原理，解析耦合各单元的全系统中物质流和能量流，评估污水自持的化学能用于资源回收和水再生利用的可行性。项目旨在为构建新型城市污水自持能量驱动资源回收和水再生利用工艺提供理论依据和技术基础。本研究对于实现城市污水再生回用深度处理过程中的节能减排和资源回收具有重要的前瞻性和战略意义。

中文摘要 (对项目的背景、主要研究内容、重要结果、关键数据及其科学意义等做简单概述，800字以内)：..污水中所含的碳、氮、磷，都是宝贵的“有用资源”，但传统的城市污水处理与再生工艺却将这些物质视为污染物，通过投入大量的能耗和物耗予以去除以获取再生水。本项目提出以城市污水中蕴藏的资源的最大化利用和水再生利用为目标，基于电化学、生物电化学、膜分离的原理，将污水中的碳物质定向转化为电能，以此驱动氮磷定向转移回收及耦合电化学氧化强化对微量有机物等的去除，以达到资源回收和污水再生回用深度处理的目的。通过5年的研究，研制了活性炭膜和碳纳米管膜两种膜材料，与生物电化学系统耦合，形成以有机物转化电能和污水净化一体化的膜过滤型生物电化学反应器，强化了污水降解和产电效果，并分析了污水净化、产电、膜过滤的系统调控机制；利用生物产电驱动离子迁移，基于生物电化学反应器内电场的利用提出了水脱盐的微生物脱盐电池和氮磷回收的微生物脱氮电池，并在传统电吸附反应器的基础上构建了一种新型的两级循环型电化学反应器，通过提高两极室与中间室的盐浓度比例，有效实现了污水中低浓度氮磷的选择性浓缩和回收，与生物电化学反应器外电场耦合实现污水中有机物产电驱动氮磷回收；构建了一种新型的三维电极反应器，优化了反应器结构参数和运行条件，开展了降解微量有机物特性和机理研究，并分析了与生物产电耦合的可行性。在此基础上，通过集成膜过滤耦合生物电化学反应器、生物产电驱动氮磷富集和定向迁移等的研究结果，构建了模块化过滤型空气阴极生物电化学系统，达到污水净化-产电-脱盐/氮磷去除和回收的目的。构型优化后的集成系统用于处理实际污水，COD去除率达到97.2%，脱盐率达到93.6%,对总氮和总磷的回收率分别达到74.1%和89.6%。研究成果为新型城市污水自持能量驱动资源回收和水再生利用工艺的工艺提供了理论依据和技术支持。