城市水循環(huán)創(chuàng)新技術(shù)：經(jīng)過十年磨礪的SANI殺泥工藝

　　水乃萬物之源。誠然地球的絕大部分是水，但是其中97%是含鹽的海水,另外3%的淡水中大部分又是以固態(tài)形式存在于冰川之中。所以可想而知，可以供給人類使用的淡水資源是少之又少!而這珍貴的淡水資源又因?yàn)槠浞植疾痪约爸饾u遭受污染，直接影響著社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展乃至人類的健康。

　　據(jù)報(bào)道，全球約15億人口面臨淡水不足問題，其中3億人口處于完全缺水狀態(tài)。預(yù)計(jì)到2025年，全世界將有30億人口缺水。我國人均淡水占有量為2240立方米，僅為世界人均水平的1/4，屬中度缺水國家。由于水資源受到過度開發(fā)、污染且利用率很低等問題，水資源的匱乏已呈現(xiàn)出制約城市經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展的態(tài)勢(shì)。如何節(jié)約淡水資源、開發(fā)“替代性”水資源、凈化污染水質(zhì)已不僅僅是熱門的科技問題，更是刻不容緩社會(huì)問題。

　　作為一個(gè)嚴(yán)重缺乏淡水資源的海岸城市，香港自上世紀(jì)五十年代起，一方面建立長距離供水管道輸入東江源水，另一方面開始采用海水沖廁。根據(jù)香港水務(wù)署2014年的報(bào)告顯示，香港海水沖廁系統(tǒng)(圖1)現(xiàn)時(shí)覆蓋全港720萬人口中的八成，平均每天為香港提供760000立方米的海水作沖廁使用節(jié)省22%的淡水資源。

　　香港50年的經(jīng)驗(yàn)證明海水沖廁基本不造成任何個(gè)人和公共衛(wèi)生不便，采用大管徑的水泥防腐管為主干道與小管徑的PVC管建筑物管道組成的海水供給管網(wǎng)腐?問題可以有效解決。與大量水資源節(jié)省的成本(海水沖廁能耗不超過海水淡化能耗的五十分之一)相比，控制少部分加壓管道硫化物產(chǎn)生及污水廠設(shè)備防腐處理所需要的成本就變得很有限。

　　在此基礎(chǔ)上發(fā)展的香港國際機(jī)場(chǎng)淡水海水中水“三水供水系統(tǒng)”(圖1)節(jié)省水資源率達(dá)52%，被《自然》雜志(337卷781頁)評(píng)價(jià)為目前最為有效的可持續(xù)水資源系統(tǒng)之一。

圖1：創(chuàng)新城市水循環(huán)系統(tǒng)：“三水”供水系統(tǒng)與SANI工藝聯(lián)用概念圖 © 香港科技大學(xué) HKUST

　　由于海水沖廁技術(shù)在香港的大規(guī)模應(yīng)用，產(chǎn)生含一定量硫酸鹽的高鹽城市污水，使得其有機(jī)物(COD)與硫酸鹽(SO42-)的比例為1.3- 2.4 (g COD/g SO42---S)，提供了通過硫酸鹽還原過程實(shí)現(xiàn)快速厭氧去除有機(jī)物的可能性。

　　通過受到此一啟發(fā)后的文獻(xiàn)調(diào)查和不斷的思索，加上2002年荷蘭代爾夫特理工大學(xué)Make van Loosdrecht教授來訪香港科技大學(xué)時(shí)的鼓勵(lì)，香港科技大學(xué)陳光浩教授于與2004年首先提出了基于異養(yǎng)硫酸鹽還原(Sulfate reduction)、自養(yǎng)反硝化(Autotrophic denitrification)、硝化反應(yīng)(Nitrification)一體化(Integrated)原創(chuàng)型高鹽城市污水處理的新工藝,簡稱SANI工藝®™，并于2004年獲得了香港研究資助局(HKRGC)研究項(xiàng)目的資助。

　　SANI工藝將硫酸鹽還原為基礎(chǔ)的高效厭氧(水溫20度時(shí)水力停留時(shí)間可降至4小時(shí)以內(nèi))引入城市污水處理，同時(shí)利用所產(chǎn)大量溶解性硫化物(大量硫酸鹽還原自動(dòng)提高反應(yīng)器pH至堿性水平使得所產(chǎn)硫化氫幾乎完全溶解于水)作為取代有機(jī)物的電子供體體實(shí)現(xiàn)后續(xù)自養(yǎng)反硝化(有機(jī)物非依賴性除氮過程)。

　　SANI工藝是第一次在城市生物污水處理中將厭氧除碳反應(yīng)和自養(yǎng)反硝化有機(jī)地連接起來。由于這兩個(gè)反應(yīng)過程本身產(chǎn)泥很少，加上產(chǎn)泥又少的硝化反應(yīng)，理論上實(shí)現(xiàn)污泥源頭顯著減量(因此SANI工藝的中文名也稱之為殺泥工藝®™)。

　　為驗(yàn)證這些工藝特性，陳光浩研究團(tuán)隊(duì)2003年開始小試，2010年完成中試，2015年完成第一個(gè)日處理1000噸的示范工程，現(xiàn)正進(jìn)行SANI工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)后的1000噸示范工程，參與港科大SANI工藝、法國威立雅MBBR工藝和荷蘭NEREDA工藝的同規(guī)模實(shí)際使用評(píng)估工程。在接下來的5-10年內(nèi)，實(shí)現(xiàn)在國內(nèi)外沿海，島嶼和內(nèi)陸不同地區(qū)一定規(guī)模應(yīng)用的目標(biāo)。