可持續發展-城市水循環創新技術：經過十年磨礪的SANI殺泥工藝

SANI 殺泥工藝介紹（視頻）   © 香港科技大學 HKUST

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為其分布不均以及逐漸遭受污染，直接影響著社會的可持續發展乃至人類的健康。據報道，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。預計到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、污染且利用率很低等問題，水資源的匱乏已呈現出制約城市經濟和社會的可持續發展的態勢。如何節約淡水資源、開發“替代性”水資源、凈化污染水質已不僅僅是熱門的科技問題，更是刻不容緩社會問題。

作為一個嚴重缺乏淡水資源的海岸城市，香港自上世紀五十年代起，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。根據香港水務署2014年的報告顯示，香港海水沖廁系統（圖1）現時覆蓋全港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省22%的淡水資源。香港50年的經驗證明海水沖廁基本不造成任何個人和公共衛生不便，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腐鉵問題可以有效解決。與大量水資源節省的成本（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生及污水廠設備防腐處理所需要的成本就變得很有限。在此基礎上發展的香港國際機場淡水海水中水“三水供水系統”（圖1）節省水資源率達52%，被《自然》雜志（337卷781頁）評價為目前最為有效的可持續水資源系統之一。

圖1：創新城市水循環系統：“三水”供水系統與SANI工藝聯用概念圖   © 香港科技大學 HKUST

由于海水沖廁技術在香港的大規模應用，產生含一定量硫酸鹽的高鹽城市污水，使得其有機物（COD）與硫酸鹽（SO₄^2-)的比例為1.3- 2.4 (g COD/g SO₄^2---S)，提供了通過硫酸鹽還原過程實現快速厭氧去除有機物的可能性。通過受到此一啟發后的文獻調查和不斷的思索，加上2002年荷蘭代爾夫特理工大學Make van Loosdrecht教授來訪香港科技大學時的鼓勵，香港科技大學陳光浩教授于與2004年首先提出了基于異養硫酸鹽還原(Sulfate reduction)、自養反硝化(Autotrophic denitrification)、硝化反應(Nitrification)一體化(Integrated)原創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）研究項目的資助。SANI工藝將硫酸鹽還原為基礎的高效厭氧（水溫20度時水力停留時間可降至4小時以內）引入城市污水處理，同時利用所產大量溶解性硫化物（大量硫酸鹽還原自動提高反應器pH至堿性水平使得所產硫化氫幾乎完全溶解于水）作為取代有機物的電子供體體實現后續自養反硝化（有機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和自養反硝化有機地連接起來。由于這兩個反應過程本身產泥很少，加上產泥又少的硝化反應，理論上實現污泥源頭顯著減量（因此SANI工藝的中文名也稱之為殺泥工藝®™）。為驗證這些工藝特性，陳光浩研究團隊2003年開始小試，2010年完成中試，2015年完成第一個日處理1000噸的示范工程，現正進行SANI工藝優化設計后的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工藝的同規模實際使用評估工程。在接下來的5-10年內，實現在國內外沿海，島嶼和內陸不同地區一定規模應用的目標。

SANI工藝發展過程

陳光浩團隊在完成一系列前期探索工作后，在2004年至2008年期間，對SANI工藝進行了連續運行500多天處理人工模擬高鹽生活污水實驗室小試，驗證這套創新工藝的可行性。結果十分理想，COD和TN平均去除率分別達到95%和74%，無須排泥（圖3）。

圖3.SANI工藝小試實驗   © 香港科技大學 HKUST

隨后在2008-2010年間，該團隊又設計、安裝和調試了水量每天10噸的SANI工藝中試示范系統（圖4），進行了連續穩定處理香港東涌泵站實際含鹽污水225天。中試結果不僅保證了較好的COD、TN去除率，同時也得出污泥產率僅為0.64 kg TSS/day，實現了污泥減量90%。以中式試驗結果估算，與傳統活性污泥法工藝-污泥消化處理處置系統相比，SANI工藝可以節省能耗35%，減少溫室氣體排放36% 。

圖4.SANI工藝中試示范   © 香港科技大學 HKUST

2013-2015年在沙田污水廠展開的大型示范試驗，每天平均處理一千噸實際污水，示范結果顯示系統COD和總氮去除率可高達80%，生物處理過程中污泥減量達70%左右。高效混凝沉淀技術處理生物處理單元出水的示范顯示，污水中75%的總磷可以被去除，同時其用地與傳統沉淀池用地相比減少70%。

圖5.SANI工藝大試示范   © 香港科技大學 HKUST

SANI工藝適用性

SANI工藝的發明源于海水沖廁在香港的大規模應用，利用海水中的硫酸鹽作為電子載體，實現碳、氮污染物的低能耗去除,并大大減少污泥產量。雖然海水沖廁技術尚未在國內外大規模應用，通過簡便的工程手段向沿海地區現有污水廠引入少量海水，就可改造成SANI工藝。除海水外，硫酸鹽還可以從其它廉價來源中獲得，如酸性礦山廢水，紙漿廢水，煙氣脫硫廢液，高鹽地下水等。透過上述特殊含硫廢水與生活污水的一體化處理，我們便可以把此項以硫為電子載體的污水處理新技術，推廣到無論是沿海城市還是內陸地區。當然在這些應用過程中，我們必須仔細控制硫酸鹽的投加量，避免過高的硫酸鹽會對受納的地表水體及地下水造成不良影響(不包括海洋的直接排放)。一般而言，我們只要保持出水硫酸鹽的濃度低于飲用水標準，即250mg SO₄^2-)/L就可以。這對利用SANI工藝處理我國大部分生活污水是可行的。隨著SANI硫高效截流回用新技術的不斷提升，SANI工藝在內陸地區的廣泛應用將變得十分可行。

海水沖廁與SANI工藝在我國的應用前景

海水沖廁與SANI工藝在中國有著巨大的發展空間。中國有16個水資源緊張的沿海城市 （圖6）。這16座沿海城市總人口達9200萬人。如將來引入海水沖廁（可節約20%-30%的淡水）并采用SANI工藝處理高鹽城市污水的話，污泥減量所帶來的社會效益十分巨大。以每人每年產生4.6公斤干污泥估算（人均產泥數據引自發表于國際期刊《Water Research》（第78卷60頁）介紹中國污泥處理處置與管理現狀的文章），每年共產約40萬噸的干污泥。若SANI工藝應用于這些城市的話，可以大幅度的降低這些污泥的處理過程，同時也每年可以節約6 GWh的能耗和19萬噸的二氧化碳排放。

圖6. 國內16座淡水資源緊張的沿海城市   © 香港科技大學 HKUST

本文作者為香港科技大學SANI工藝科研團隊。