污水处理必须向资源/能源回收方向转变——热力学解析

[文章亮点]

污水会导致环境熵增，传统污水处理会加剧熵增。

资源/能源回收可有效延缓熵增并促进逆熵增。

污水中有机物转化不应经厌氧消化产甲烷（高熵物质），需转向回收高值、低熵有机物。

污水能源回收应聚焦出水余温热能，热能外输或低温干化污泥后焚烧。

不应发展不可降解、不能回收再利用的除污合成材料。

[图文摘要]

[研究背景]

熵（Entropy）是热力学中的一种抽象概念，可被用以描述一个封闭系统自发陷入无序乃至崩溃的趋势，即，是对系统混乱度或不可用度的度量。对于地球及其生态系统来说，得幸于太阳能所赋予的逆熵增（Negentropy）助力，物质再生（例如，光合作用、矿物富集、沉积和矿化等）可有效避免或延缓系统过度熵增，维系地球生命延续。显然，地球及其生态系统稳定需要熵增-逆熵增保持相对平衡。

近年来，熵的概念已被应用于环境质量评估、微生物学探究、新兴材料研发及其机械设计等领域。而在环境相关领域，逆熵增则被作为描述系统可持续性（Sustainability）的指标。

宏观上，文明程度不断进步为人类带来了舒适与高尚的生活方式；同时，现代文明也使得自然资源和能源被过度消耗。这就直接加剧了生态系统的熵增，破坏了生态平衡。作为人类排放的污染物，污水也是这一过程中的熵增因素。因此，从熵角度对污水及其处理技术进行分析是可行、且具有指导意义的。

实际上，污水生物处理（包括好氧和厌氧过程）是基于仿生学的一种形式。它通过增加曝气、混合与碳源/药剂等来强化净水能力。然而，因额外能量与物质消耗，反倒加剧了系统熵增，即，“以能消能”和“污染转嫁”现象持续发生。例如，传统污水处理（Conventional Wastewater Treatment, CWWT）侧重于去除污水中有机物（COD）、氮（N）和磷（P），但在处理过程中往往使得潜在有机能量和营养物质被破坏并浪费，大大降低这些物质再生循环的可持续性。因此，传统污水处理实际上是一个加剧熵增（物质/元素衰败）、且延缓逆熵增（物质/元素再生）过程。与此同时，污水处理系统熵增将不可避免地导致环境退化和资源枯竭。

正因如此，发展可持续污水处理（Sustainable Wastewater Treatment, SWWT）去降低、甚至避免污水处理熵增风险是实现碳中和与资源回收的必由之路。那么应该如何实现可持续污水处理？或许从熵的角度能够获得答案。

该项研究成果刚在线发表于《Water research》杂志Making Waves（掀浪）（一区SCI，IF=11.236）。

[污水处理与熵增]

如前所述，污水处理是一个熵增过程。其主要体现在：

i）物质层面，进水中大多数有机物（碳水化合物、蛋白质、脂肪等低熵物质）逐步分解为大量无组织小分子无机物（CO2、H2O等高熵物质）；

ii）能量层面，有机物中高品位能量被微生物摄取、利用而转化为低品位能量，大大降低了该物质的可利用度。

宏观上，这就是微生物不断耗散能量并形成新的生物质并维系复杂细胞系统的新陈代谢过程。

然而，若不涉及资源与能源回收，微生物新陈代谢实际上是将污水中大量低熵物质转化为相对稳定的高熵物质过程。若涉及额外物质/能量消耗，则会进一步加剧系统熵增，进而加剧偏离自然熵增-逆熵增平衡，直至生态系统崩溃。此外，若使用人工合成材料去除水中污染物，应以可回收/降解材料研发为导向，避免额外高熵物质引入，导致熵增风险。因此，污水处理应避免过度熵增，并尽可能创造逆熵增情景，以维系自然熵循环。

[资源/能源回收与逆熵增]

相比之下，在农耕时代原生态文明之下，人类凭借“粪尿返田”方式回收营养物质、并净化污水；无形中，正契合了自然熵循环过程：养分（C，N，P，K等）和能量在人与土地/粮食之间不断交换，实现了物质循环。正因如此，古时生态系统得以维持相对平衡。然而，伴随着工业革命而出现的城市化产生了现代厕所和下水道系统，这就使得大量污水集中流向自然水体，加剧了环境熵增；并且，随污水流失的营养物质和能量大大延缓了逆熵增过程。显然，由污水及其处理引起的加剧熵增和延缓逆熵增都会危害生态系统平衡。为此，将传统污水处理转向可持续污水处理来促进逆熵增具有非凡意义。其中，资源与能源回收是一种非常有效的逆熵增手段。

[熵概念下的可持续污水处理]

为了实现可持续污水处理，提高污水处理投入与产出比甚为关键，即，节能降耗（延缓熵增）与资源/能源回收（促进逆熵增）。然而，仅仅依靠延缓熵增来实现熵循环相对平衡是远远不够的。因此，通过资源与能源回收实现逆熵增在可持续污水处理中至关重要。

其中，资源回收能够直接提高物质的可持续性，减少环境污染；能源回收能够补充碳中和运行所需的能量。在此方面，需要特别提及的是，污泥厌氧消化作为化学能回收的常用技术，其终端产品甲烷（CH4）却是高熵物质，它一旦发生泄漏便会加剧温室效应（CH4温室效应为CO2的28倍）；并且CH4完全燃烧后会产生熵值更高的CO2。因此，从维持系统低熵循环角度，污水中有机物不应通过厌氧消化转化为CH4，而应向具有高附加值的低熵有机物转变，例如，PHA（生物塑料），EPS（胞外聚合物）/ALE（藻酸盐）等产品。

在能源回收方面，应聚焦出水余温热能。这不仅能够满足一定的社会供暖/制冷需要，且可以用于原位低温干化（提取高值有机物后的）污泥，并最终实现自持焚烧与热电联产。最后，从污泥焚烧后灰分中可提取磷和重金属，而其残渣最终可用作建材。

其中，污泥焚烧灰分磷回收能够有效降低磷危机风险，避免磷肥生产过度依赖磷矿资源；出水余温热能回收不仅可助力污水处理厂间接实现碳中和运行，甚至可以形成大量可用于碳交易的“负碳”场景。更为重要的是，资源与能源回收可极大促进系统逆熵增，降低环境日益增长的熵增风险，有效助力生态循环，即，发展蓝色经济。

总而言之，基于工业革命的现代文明发展使人类文明严重偏离了自然熵循环。环境自净作用已无法消纳这一过程产生的过度熵增。旨在提高污水净化能力的传统污水处理实际上是在进一步加剧污水处理对环境的熵增，甚至延缓了以物质再生为主导的逆熵增过程。因此，开发强调资源与能源回收的可持续污水处理来延缓熵增并促进逆熵增一定是今后污水处理的首要目标。

[结论]

水体自净作用能够在一定程度上维系自然熵循环，但随着越来越多污水产生，这一作用逐渐变得非常有限，特别是在城市区域。

污水会导致环境熵增，而传统污水处理则会加剧熵增过程。

必须发展可以延缓熵增、促进逆熵增的可持续污水处理。其中，资源与能源回收能够有效促进逆熵增。

污水中有机物应以高附加值产物形式回收，而不应经厌氧消化转化为CH4。此外，我们应充分利用污水中所含热能，实现污水处理碳中和运行，甚至形成“负碳”场景。