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国际视角：藻类污水处理及其资源化

评估藻类

       水华是由于水体富营养化导致水体产生死区，在死区内，水中溶解氧被消耗殆尽，使得水生生物难以生存。
       如果没有人类活动的干预，水体富营养化是一个缓慢而自然的过程，可能需要数千年才会产生。然而，绝大多数水体死区的产生可归因于人类活动导致的水体氮、磷失衡，主要是由于化肥流失。
       然而，并非所有藻类生长都是不利的。实际上，藻类是水体自净的主要参与者之一。藻类进行光合作用，利用阳光将CO2和水转化为O2和有机物。当藻类生长状况得当，光合作用不仅可以使水体复氧，而且可以通过生物同化作用消耗水体中的营养物。藻类污水处理便利用了这一自然过程。

什么是藻类污水处理？

       藻类污水处理技术从4个方面遵循循环经济战略：1）使水回用更加容易；2）减少化学药剂等原料消耗；3）碳封存；4）提供大量可回收资源。目前市场上藻类污水处理技术众多，大致可分为以下3类：循环池、光生物反应器和旋转生物膜反应器。

       循环池（即氧化沟形式）是技术最成熟、形式最简单的藻类污水处理方式之一，由闭环系统开放式、狭窄的浅层池构成，依靠桨轮来带动水体流动。

图1  循环池
（图片来自Aquatech）

       光生物反应器（PBRs）是指在封闭容器内培养藻类，这意味着可以通过调节环境条件（如光照）来控制藻类生长。

图2  Algaemaster 10 control光生物反应器
（图片来自https://www.ika.com/zh/Products-LabEq/Photo-Bioreactors-pg912/Algaemaster-10-control-20009577/）

       旋转生物膜反应器通常指置于温室内的开放式容器，其中藻类在旋转容器（如，垂直皮带或轮子）上的生物膜上培养。通过旋转将生物膜从水中带出，以增加光照，从而增加藻类生产力。每种技术都可能用于污水处理过程中的不同位置，包括二级、三级和侧流处理，但三级处理市场最为饱和。

使非饮用水回用更具有可能性

       藻类污水处理主要为低成本污水处理创造了条件，改善了获得安全管理的卫生设施机会，但最近随着水资源短缺威胁变为现实，非饮用水回用正在成为一个关键驱动力。在藻类污水处理的工业应用中，从排放到回用的转变，通常用于冷却系统，已被指出是一个驱动力。
       虽然藻类处理在技术上具有一定的自然紫外线消毒能力，但要达到饮用水或其它高质量回用水监管水准，还需要升级处理技术。
       OneWater的AlgaeWheel（一种在旋转轮上培养藻类的旋转生物膜技术）是全球藻类二级污水处理市场上的佼佼者，该技术配备25个装置，在二级污水处理领域的竞争对手少。虽然环境卫生是其应用的主要驱动力，但它也在充分利用水的回用价值。

图3  Algaewheel示意图
（图片来自http://algaewheel.com/our-technology/）

       OneWater最近在埃及安装的1 000 m3（未来将扩大到2 000 m3）装置主要目的是卫生、灌溉再利用以及维持尼罗河水位。该公司在墨西哥的各种装置以及未来在西班牙和沙特阿拉伯的装置也侧重于非饮用水回用，包括用于灌溉或冲厕。

减少对材料依赖

       使用藻类污水处理可以减少污水处理厂化学药剂使用和能源消耗。对于二级污水处理，藻类技术非常具有应用前景，因为其无需曝气，而曝气是污水处理过程中最消耗能源的一个过程。
       根据GWI研究，公共事业供水和污水处理基础设施消耗了全球3~7%的电力，其中，曝气系统占污水处理厂能源消耗的60~70%。由于藻类污水处理能利用藻类光合作用为水体充氧，因而能将其作为传统曝气的替代解决方案。这在全球推动碳减排过程中变得特别有利，并且由于其最低的能源需求，使的离网设施成为可能。例如，OneWater已经处于设计4个完全离网系统的后期阶段。
       传统三级处理方法在很大程度上依赖于化学药剂使用，如，FeCl3/Fe2(SO4)3。这些金属盐类投加不仅增加污水处理厂碳排放，而且使其运营容易受到药剂供应链的影响，并可能将Fe盐排放到水体中。相比之下，藻类处理技术则具有吸引力，因为它们消耗更少的能源，并且无需投加化学药剂、减少污水处理厂碳排放、降低运营成本和工艺复杂性。
       随着营养物管理日益成为全球关注焦点，规模较小的集聚区首次面临监管压力。欧盟于2022年10月公布了修订《污水框架指南》提案，将监管范围从人口当量为2 000（约为处理规模1 000 m3/d）的污水处理厂修改为1 000人口当量（处理规模约为500 m3/d），推动了简单和低成本营养物管理需求。
       对环境敏感地区保护也为营养物管理创造了市场机会，防止下游富营养化对于保护独特而珍贵的生态系统至关重要。大型藻类循环池供应商Pacific Bio正在抓住这个机会，在澳大利亚大堡礁集水区有3个正在进行的RegenAqua技术项目。

图4  RegenAqua生物修复技术
（图片来自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

       藻类光合作用的另一个优势在于消耗大气中的CO2，本质上是一种直接的空气碳捕获形式。藻类生物质可以从处理系统中被收获，碳被封存并储存在生物质中。然后，这种生物质可以增值成为资源。由于这种能力，藻类污水处理有可能在碳信用市场上发挥作用，创造新的收入来源。
       虽然大多数市场参与者看到了碳信用市场的未来价值，但这并不是他们目前盈利的方式，因为整个市场仍处于早期发展阶段。OneWater将成为该市场早期参与者之一，未来项目计划产生碳信用额度。
       藻类污水处理碳封存额度非常可观，英国三级处理提供商I-PHYC声称其处理技术每产生1 kg藻类可以吸收84.2 kg CO2，这意味着人口当量为1 000（处理规模约为500 m3/d）的污水营养物厂，一年大约可以封存17 t CO2。
       藻类污水处理技术的协同作用能够有效地减少营养物污染和碳排放，这些优势使得其更加具有吸引力，与不断发展的公用事业的重点相一致。Gross-Wen Technologies正在新加坡进行旋转式藻类生物膜（RAB）技术的试点就证明了这一点，该公司是国家公共事业PUB零碳挑战赛的获胜者之一。该公司的技术是在一个旋转的垂直带上培养藻类，尽可能地增加高度，并最大限度地减少系统的占地面积。

利用污水中藻类生产高附加值产品

       用于污水处理的藻类生物质必须被捕获，为其增值资源价值创造机会。虽然大多数正在运行中的藻类污水处理厂要么选择厌氧消化，要么施用于土地，或者在不得已的情况下，将捕获的藻类生物质进行填埋。但该领域一些领先创新者已经将回收的藻类附加产品投放市场。
       Gross-Wen Technologies将客户的藻类生物质转化为颗粒肥料。该公司与客户达成了一项回购生物质的协议，这集中了肥料的生产，并将处置成本转化为收入流。与传统污水污泥生物固体一样，处理污水后的藻类生物质具有很高的营养成分，同时具有碳封存的额外好处。其它使用污水藻类生物质的产品已经进入市场，包括生物塑料、油墨和染料。美国三级处理专业公司CLEARAS与BLOOM和Living Ink都有合作关系，均基于藻类塑料、泡沫和油墨产品商业化。
       其它基于藻类的附加产品仍处于研发阶段。其中一个有前途的重点领域是生物燃料，特别是可持续航空燃料（SAF），对质量要求高、同时需求量大。尽管生物燃料中封存的碳最终在燃烧过程中被释放回大气中，但生物燃料仍然可以被视为碳中和。这是由于释放的CO2最初是在藻类生长阶段从大气中吸收的，因而是零碳排放。

图5  生物燃油
（图片来自Aquatech）

       然而，如果藻类污水处理厂规模和普及程度提高，商业案例可能会发生改变。
       尽管如此，各种美国海藻污水处理技术公司已经获得政府资金支持，用于研究基于藻类生产的生物燃料，包括SAF和生物原油。最近关注的一个领域是使用水热液化技术来制造生物原油，因为这个过程可以使用湿原料，无需干燥藻类生物质。
       然而，一个容易实现的目标可能是生物甲烷运输燃料，由藻类生物质厌氧消化和进一步纯化产生。Aqualia通过其全天然气项目（2019-2011）证明了这一概念的可行性。与生物原的生产相比，生物甲烷生产要更为简单，并且能耗更低，但大多数市场参与者认为生物甲烷是一种价值较低的产品。

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