【谷騰環(huán)保網(wǎng)訊】[文章亮點]

污水會導致環(huán)境熵增，傳統(tǒng)污水處理會加劇熵增。

資源/能源回收可有效延緩熵增并促進逆熵增。

污水中有機物轉(zhuǎn)化不應(yīng)經(jīng)厭氧消化產(chǎn)甲烷（高熵物質(zhì)），需轉(zhuǎn)向回收高值、低熵有機物。

污水能源回收應(yīng)聚焦出水余溫熱能，熱能外輸或低溫干化污泥后焚燒。

不應(yīng)發(fā)展不可降解、不能回收再利用的除污合成材料。

[圖文摘要]

[研究背景]

熵（Entropy）是熱力學中的一種抽象概念，可被用以描述一個封閉系統(tǒng)自發(fā)陷入無序乃至崩潰的趨勢，即，是對系統(tǒng)混亂度或不可用度的度量。對于地球及其生態(tài)系統(tǒng)來說，得幸于太陽能所賦予的逆熵增（Negentropy）助力，物質(zhì)再生（例如，光合作用、礦物富集、沉積和礦化等）可有效避免或延緩系統(tǒng)過度熵增，維系地球生命延續(xù)。顯然，地球及其生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定需要熵增-逆熵增保持相對平衡。

近年來，熵的概念已被應(yīng)用于環(huán)境質(zhì)量評估、微生物學探究、新興材料研發(fā)及其機械設(shè)計等領(lǐng)域。而在環(huán)境相關(guān)領(lǐng)域，逆熵增則被作為描述系統(tǒng)可持續(xù)性（Sustainability）的指標。

宏觀上，文明程度不斷進步為人類帶來了舒適與高尚的生活方式；同時，現(xiàn)代文明也使得自然資源和能源被過度消耗。這就直接加劇了生態(tài)系統(tǒng)的熵增，破壞了生態(tài)平衡。作為人類排放的污染物，污水也是這一過程中的熵增因素。因此，從熵角度對污水及其處理技術(shù)進行分析是可行、且具有指導意義的。

實際上，污水生物處理（包括好氧和厭氧過程）是基于仿生學的一種形式。它通過增加曝氣、混合與碳源/藥劑等來強化凈水能力。然而，因額外能量與物質(zhì)消耗，反倒加劇了系統(tǒng)熵增，即，“以能消能”和“污染轉(zhuǎn)嫁”現(xiàn)象持續(xù)發(fā)生。例如，傳統(tǒng)污水處理（Conventional Wastewater Treatment, CWWT）側(cè)重于去除污水中有機物（COD）、氮（N）和磷（P），但在處理過程中往往使得潛在有機能量和營養(yǎng)物質(zhì)被破壞并浪費，大大降低這些物質(zhì)再生循環(huán)的可持續(xù)性。因此，傳統(tǒng)污水處理實際上是一個加劇熵增（物質(zhì)/元素衰敗）、且延緩逆熵增（物質(zhì)/元素再生）過程。與此同時，污水處理系統(tǒng)熵增將不可避免地導致環(huán)境退化和資源枯竭。

正因如此，發(fā)展可持續(xù)污水處理（Sustainable Wastewater Treatment, SWWT）去降低、甚至避免污水處理熵增風險是實現(xiàn)碳中和與資源回收的必由之路。那么應(yīng)該如何實現(xiàn)可持續(xù)污水處理？或許從熵的角度能夠獲得答案。

該項研究成果剛在線發(fā)表于《Water research》雜志Making Waves（掀浪）（一區(qū)SCI，IF=11.236）。

[污水處理與熵增]

如前所述，污水處理是一個熵增過程。其主要體現(xiàn)在：

i）物質(zhì)層面，進水中大多數(shù)有機物（碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪等低熵物質(zhì)）逐步分解為大量無組織小分子無機物（CO2、H2O等高熵物質(zhì)）；

ii）能量層面，有機物中高品位能量被微生物攝取、利用而轉(zhuǎn)化為低品位能量，大大降低了該物質(zhì)的可利用度。

宏觀上，這就是微生物不斷耗散能量并形成新的生物質(zhì)并維系復雜細胞系統(tǒng)的新陳代謝過程。

然而，若不涉及資源與能源回收，微生物新陳代謝實際上是將污水中大量低熵物質(zhì)轉(zhuǎn)化為相對穩(wěn)定的高熵物質(zhì)過程。若涉及額外物質(zhì)/能量消耗，則會進一步加劇系統(tǒng)熵增，進而加劇偏離自然熵增-逆熵增平衡，直至生態(tài)系統(tǒng)崩潰。此外，若使用人工合成材料去除水中污染物，應(yīng)以可回收/降解材料研發(fā)為導向，避免額外高熵物質(zhì)引入，導致熵增風險。因此，污水處理應(yīng)避免過度熵增，并盡可能創(chuàng)造逆熵增情景，以維系自然熵循環(huán)。

[資源/能源回收與逆熵增]

相比之下，在農(nóng)耕時代原生態(tài)文明之下，人類憑借“糞尿返田”方式回收營養(yǎng)物質(zhì)、并凈化污水；無形中，正契合了自然熵循環(huán)過程：養(yǎng)分（C，N，P，K等）和能量在人與土地/糧食之間不斷交換，實現(xiàn)了物質(zhì)循環(huán)。正因如此，古時生態(tài)系統(tǒng)得以維持相對平衡。然而，伴隨著工業(yè)革命而出現(xiàn)的城市化產(chǎn)生了現(xiàn)代廁所和下水道系統(tǒng)，這就使得大量污水集中流向自然水體，加劇了環(huán)境熵增；并且，隨污水流失的營養(yǎng)物質(zhì)和能量大大延緩了逆熵增過程。顯然，由污水及其處理引起的加劇熵增和延緩逆熵增都會危害生態(tài)系統(tǒng)平衡。為此，將傳統(tǒng)污水處理轉(zhuǎn)向可持續(xù)污水處理來促進逆熵增具有非凡意義。其中，資源與能源回收是一種非常有效的逆熵增手段。

[熵概念下的可持續(xù)污水處理]

為了實現(xiàn)可持續(xù)污水處理，提高污水處理投入與產(chǎn)出比甚為關(guān)鍵，即，節(jié)能降耗（延緩熵增）與資源/能源回收（促進逆熵增）。然而，僅僅依靠延緩熵增來實現(xiàn)熵循環(huán)相對平衡是遠遠不夠的。因此，通過資源與能源回收實現(xiàn)逆熵增在可持續(xù)污水處理中至關(guān)重要。

其中，資源回收能夠直接提高物質(zhì)的可持續(xù)性，減少環(huán)境污染；能源回收能夠補充碳中和運行所需的能量。在此方面，需要特別提及的是，污泥厭氧消化作為化學能回收的常用技術(shù)，其終端產(chǎn)品甲烷（CH4）卻是高熵物質(zhì)，它一旦發(fā)生泄漏便會加劇溫室效應(yīng)（CH4溫室效應(yīng)為CO2的28倍）；并且CH4完全燃燒后會產(chǎn)生熵值更高的CO2。因此，從維持系統(tǒng)低熵循環(huán)角度，污水中有機物不應(yīng)通過厭氧消化轉(zhuǎn)化為CH4，而應(yīng)向具有高附加值的低熵有機物轉(zhuǎn)變，例如，PHA（生物塑料），EPS（胞外聚合物）/ALE（藻酸鹽）等產(chǎn)品。

在能源回收方面，應(yīng)聚焦出水余溫熱能。這不僅能夠滿足一定的社會供暖/制冷需要，且可以用于原位低溫干化（提取高值有機物后的）污泥，并最終實現(xiàn)自持焚燒與熱電聯(lián)產(chǎn)。最后，從污泥焚燒后灰分中可提取磷和重金屬，而其殘渣最終可用作建材。

其中，污泥焚燒灰分磷回收能夠有效降低磷危機風險，避免磷肥生產(chǎn)過度依賴磷礦資源；出水余溫熱能回收不僅可助力污水處理廠間接實現(xiàn)碳中和運行，甚至可以形成大量可用于碳交易的“負碳”場景。更為重要的是，資源與能源回收可極大促進系統(tǒng)逆熵增，降低環(huán)境日益增長的熵增風險，有效助力生態(tài)循環(huán)，即，發(fā)展藍色經(jīng)濟。

總而言之，基于工業(yè)革命的現(xiàn)代文明發(fā)展使人類文明嚴重偏離了自然熵循環(huán)。環(huán)境自凈作用已無法消納這一過程產(chǎn)生的過度熵增。旨在提高污水凈化能力的傳統(tǒng)污水處理實際上是在進一步加劇污水處理對環(huán)境的熵增，甚至延緩了以物質(zhì)再生為主導的逆熵增過程。因此，開發(fā)強調(diào)資源與能源回收的可持續(xù)污水處理來延緩熵增并促進逆熵增一定是今后污水處理的首要目標。

[結(jié)論]

水體自凈作用能夠在一定程度上維系自然熵循環(huán)，但隨著越來越多污水產(chǎn)生，這一作用逐漸變得非常有限，特別是在城市區(qū)域。

污水會導致環(huán)境熵增，而傳統(tǒng)污水處理則會加劇熵增過程。

必須發(fā)展可以延緩熵增、促進逆熵增的可持續(xù)污水處理。其中，資源與能源回收能夠有效促進逆熵增。

污水中有機物應(yīng)以高附加值產(chǎn)物形式回收，而不應(yīng)經(jīng)厭氧消化轉(zhuǎn)化為CH4。此外，我們應(yīng)充分利用污水中所含熱能，實現(xiàn)污水處理碳中和運行，甚至形成“負碳”場景。

  使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環(huán)保網(wǎng)”