污水处理必须向資源/能源回收方向轉變——热力學解析

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污水中有機物轉化不该經厌氧消化產甲烷（高熵物資），需轉向收受接管高值、低熵有機物。

污水能源收受接管應聚焦出水余温热能，热能外输或低温干化污泥後點火。

不该成长不成降解、不克不及收受接管再操纵的除污合成质料。

[圖文择要]

[钻研布景]

熵（Entropy）是热力學中的一种抽象观點，可被用以描写一個封锁體系自觉堕入无序甚至解體的趋向，即，是對體系紊乱度或不成费用的怀抱。對付地球及其生态體系来讲，得幸于太阳能所付與的逆熵增（Negentropy）助力，物資再生（比方，光互助用、矿物富集、沉积和矿化等）可有用防止或延缓體系過分熵增，维系地球生命持续。明显，地球及其生态體系不乱必要熵增-逆熵增连结相對于均衡。

比年来，熵的观點已被利用于情况质量评估、微生物學探讨、新兴质料研發及其機器设计等范畴。而在情况相干范畴，逆熵增则被作為描写體系可延续性（Sustainability）的指标。

宏观上，文明水平不竭前進為人类带来了恬静與崇高的糊口方法；同時，現代文明也使得天然資本和能源被過分损耗。這就直接加重了生态體系的熵增，粉碎了生态均衡。作為人类排放的污染物，污水也是這一進程中的熵增身分。是以，從熵角度對污水及其处置技能举行阐發是可行、且具备引导意义的。

現实上，污水生物处置（包含好氧和厌氧進程）是基于仿生學的一种情势。它經由過程增长曝气、夹杂與碳源/藥剂等来强化清水能力。但是，因分外能量與物資损耗，反倒加重了體系熵增，即，“以能消能”和“污染轉嫁”征象延续產生。比方，传统污水处置（Conventional Wastewater Treatment, CWWT）偏重于去除污水中有機物（COD）、氮（N）和磷（P），但在处置進程中常常使得潜伏有性能量和养分物資被粉碎并挥霍，大大低落這些物資再生轮回的可延续性。是以，传统污水处置其实是一個加重熵增（物資/元素没落）、且延缓逆熵增（物資/元素再生）進程。與此同時，污水处置體系熵增将不成防止地致使情况退化和資本枯竭。

正因如斯，成长可延续污水处置（Sustainable Wastewater Treatment, SWWT）去低落、乃至防止污水处置熵增危害是实現碳中和與資本收受接管的必由之路。那末應當若何实現可延续污水处置？也许從熵的角度可以或许得到谜底。

该项钻研功效刚在線颁發于《Water research》杂志Making Waves（掀浪）（一區SCI，IF=11.236）。

[污水处置與熵增]

如前所述，污水处置是一個熵增進程。其重要體如今：

i）物資层面，進水中大大都有機物（碳水化合物、卵白质、脂肪等低熵物資）渐渐分化為大量无组织小份子无機物（CO二、H2O等高熵物資）；

ii）能量层面，有機物中高品位能量被微生物摄入、操纵而轉化為低品位能量，大大低落了该物資的可操纵度。

宏观上，這就是微生物不竭耗散能量并構成新的生物資并维系繁杂细胞體系的新陈代谢進程。

但是，若不触及資本與能源收受接管，微生物新陈代谢其实是将污水中大量低熵物資轉化為相對于不乱的高熵物資進程。若触及分外物資/能量损耗，则會進一步加重體系熵增，進而加重偏离天然熵增-逆熵增均衡，直至生态體系解體。别的，若利用人工合成质料去除水中污染物，應以可收受接管/降解质料研發為导向，防止分外高熵物資引入，致使熵增危害。是以，污水处置應防止過分熵增，并尽量缔造逆熵增情形，以维系天然熵轮回。

[資本/能源收受接管與逆熵增]

比拟之下，在农耕期間原生态文明之下，人类凭仗“粪尿返田”方法收受接管养分物資、并净化污水；无形中，正契合了天然熵轮回進程：营养（C，N，P，K等）和能量在人與地皮/食粮之間不竭互换，实現了物資轮回。正因如斯，古時生态體系得以保持相對于均衡。但是，陪伴着工業革命而呈現的都會化發生了現代茅厕和下水道體系，這就使得大量污水集中流向天然水體，加重了情况熵增；而且，随污水流失的养分物資和能量大大延缓了逆熵增進程。明显，由污水及其处置引發的加重熵增和延缓逆熵增城市风险生态體系均衡。為此，将传统污水处置轉向可延续污水处置来促成逆熵增具备不凡意义。此中，資本與能源收受接管是一种很是有用的逆熵增手腕。

[熵观點下的可延续污水处置]

為了实現可延续污水处置，提高污水处置投入與產出比甚為關头，即，节能降耗（延缓熵增）與資本/能源收受接管（促成逆熵增）。但是，仅仅寄托延缓熵增来实現熵轮回相對于均衡是遠遠不敷的。是以，經由過程資本與能源收受接管实現逆熵增在可延续污水处置中相當首要。

此中，資本收受接管可以或许直接提高物資的可延续性，削减情况污染；能源收受接管可以或许弥补碳中和運行所需的能量。在此方面，必要出格说起的是，污泥厌氧消化作為化學能收受接管的經常使用技能，其终端產物甲烷（CH4）倒是高熵物資，它一旦產生泄露便會加重温室效應（CH4温室效應為CO2的28倍）；而且CH4彻底焚烧後會發生熵值更高的CO2。是以，從保持體系低熵轮回角度，污水中有機物不该經由過程厌氧消化轉化為CH4，而應向具备高附加值的低熵有機物變化，比方，PHA（生物塑料），EPS（胞外聚合物）/ALE（藻酸盐）等產物。

在能源收受接管方面，應聚焦出水余温热能。高雄合法當舖，這不但可以或许知足必定的社會供暖/制冷必要，且可以用于原位低温干化（提取高值有機物後的）污泥，并终极实現矜持點火與热電联產。最後，從污泥點火後灰分中可提取磷和重金属，而其残渣终极可用作建材。

此中，污泥點火灰分磷收受接管可以或许有用低落磷危機危害，防止磷肥出產過分依靠磷矿資本；出水余温热能收受接管不但可助力污水处置厂間接实現碳中和運行，乃至可以構成大量可用于碳買賣的“负碳”场景。更加首要的是，資本與能源收受接管可极大促成體系逆熵增，低落情况日趋增加的熵增危害，有用助力生态轮回，即，成长蓝色經济。

总而言之，基于工業革命的現代文明成长令人类文明紧张偏离了天然熵轮回。情况自净感化已没法消纳這一進程發生的過分熵增。旨在提高污水净化能力的传统污水处置其实是在進一步加重污水处置對情况的熵增，乃至延缓了以物資再生為主导的逆熵增進程。是以，開辟夸大資本與能源收受接管的可延续污水处置来延缓熵增并促成逆熵增必定是此後污水处置的重要方针。

[结论]

水體自净感化可以或许在必定水平上维系天然熵轮回，但跟着愈来愈多污水發生，這一感化逐步變得很是有限，出格是在都會區域。

污水跟腱炎貼膏,會致使情况熵增，而传统污水处置则會加重熵增進程。

必需成长可以延缓熵增、促成逆熵增的可延续污水处置。此中，資本與能源日本瘦身產品,收受接管可以或许有用促成逆熵增。

污水中有機物應以高附加值產品情势收受接管，而不该經厌氧消化轉化為CH4。别的，咱们應充实操纵污水中所含热能，实現污水处置碳中和去黑頭粉刺產品，運行，乃至構成“负碳”场景。