2.6 有机废水的组成及能源化利用方法
有机废水是指人类生产或生活过程中废弃排出的水，包括生活污水和工业废水。
2.6.1 生活污水的组成
生活污水是指人们生活过程中产生和排出的废水，主要来自家庭、商业、机关、学校、旅游服务业及其他城市公用设施。主要包括粪便水、洗涤水、冲洗水。
城市污水是城市中的生活污水和排入城市下水道的工业废水的总称，包括生活污水、工业废水和降雨产生的部分城市地表径流。因城市功能、工业规模与类型的差异，在不同城市的城市污水中，工业废水所占的比重会有所不同，对于一般性质的城市，其工业废水在城市污水中的比重大约为10%～50%。由于城市污水中工业废水只占一定的比例，并且工业废水需要达到《污水排入城镇下水道水质标准》（GB/T 31962—2015）的规定后才能排入城市下水道（超过标准的工业废水需要在工厂内经过适当的预处理，除去对城市污水处理厂运行有害或城市污水处理厂处理工艺难以去除的污染物，如酸、碱、高浓度悬浮物、高浓度有机物、重金属等），因此，城市污水的主要水质指标有和生活污水相似的特性。
生活污水和城市污水水质浑浊，新鲜污水的颜色呈黄色，随着在下水道中发生厌氧分解，污水的颜色逐渐加深，最终呈黑褐色，水中夹带的部分固体杂质，如卫生纸、粪便等，也分解或液化成细小的悬浮物或溶解物。
生活污水和城市污水中含有一定量的悬浮物，悬浮物浓度一般在100～350mg/L范围内，常见浓度为200～250ml/L。悬浮物成分包括漂浮杂物、无机泥沙和有机污泥等。悬浮物中所含有机物大约占生活污水和城市污水中总有机物含量的30%～50%。
生活污水和城市污水中所含有机污染物的主要来源是人类的食物消化分解产物和日用化学品，包括纤维素、油脂、蛋白质及其分解产物、氨氮、洗涤剂成分（表面活性剂、磷）等，生活与城市活动中所使用的各种物质几乎都可以在污水中找到其相关成分。有机物含量为：一般浓度范围为BOD5=100～300mg/L，COD=250～600mg/L；常见浓度为BOD5=180～250mg/L，COD=300～500mg/L。由于工业废水的污染物含量一般都高于生活污水，工业废水在城市污水中所占比例越大，有机物的浓度，特别是COD的浓度也越高。
生活污水中含有氮、磷等植物生长所需的营养元素。新鲜生活污水中氮的主要存在形式是氨氮和有机氮，其中以氨氮为主，主要来自食物消化分解产物。生活污水和城市污水的氨氮浓度（以N计）一般范围是15～50mg/L，常见浓度是30～40mg/L。生活污水中的磷主要来自合成洗涤剂（合成洗涤剂中所含的聚合磷酸盐助剂）和食物消化分解产物，主要以无机磷酸盐形式存在。生活污水和城市污水的总磷浓度（以P计）一般范围是4～10mg/L，常见浓度是5～8mg/L。
生活污水和城市污水中还含有多种微生物，包括病原微生物和寄生虫卵等。
2.6.2 工业有机废水的组成
工业有机废水是指工业生产过程中产生的有机废水，主要是酿酒、食品、制药、造纸及屠宰等行业生产过程中排出的废水，其中都富含有机物。
工业废水的性质差异很大，不同行业产生的废水的性质不同，即使对于生产相同产品的同类工厂，由于所用原料、生产工艺、设备条件、管理水平等的差别，废水的性质也可能有所差异。
工业废水的总体特点是：a．水量大。特别是一些耗水量大的行业，如造纸、纺织、酿造、化工等。b．水中污染物的浓度高。许多工业废水所含污染物的浓度都超过了生活污水，个别废水，例如造纸黑液、酿造废液等，有机物的浓度达到了几万甚至几十万毫克每升。c．成分复杂，不易处理。有的废水含有重金属、酸碱、对生物处理有毒性的物质、难生物降解有机物等。d．带有颜色和异味。e．水温偏高。
2.6.3 有机废水对环境的影响
目前我国每年的污水排放总量已达500多亿吨，并呈逐年上升的趋势，相当于人均排放40t，其中相当部分未经处理直接排入江河湖库。在全国七大流域中，太湖、淮河、黄河的水质最差，约有70%以上的河段受到污染；海河、松辽流域的污染也相当严重，污染河段占60%以上。河流污染情况严峻，其发展趋势也令人担忧。从全国情况看，污染正从支流向干流延伸，从城市向农村蔓延，从地表向地下渗透，从区域向流域扩展。
据检测，目前全国多数城市的地下水都受到了不同程度的点状和面状污染，且有逐年加重的趋势。在全国118个城市中，64%的城市地下水受到严重污染，33%的城市地下水受到轻度污染。从地区分布来看，北方地区比南方地区更为严重。日益严重的水污染不仅降低了水体的使用功能，而且进一步加剧了水资源短缺的矛盾，很多地区由资源性缺水转变为水质性缺水，对我国正在实施的可持续发展战略带来了严重影响，而且还严重威胁到城市居民的饮水安全和人民群众的健康。
在我国669个建制市中，目前有400多个城市不同程度缺水，其中严重缺水的城市有110个，城市年缺水总量达60亿立方米。在32个百万人口以上的特大城市中，有30个城市长期受缺水的困扰。由于供水不足，城市工业每年的经济损失高达2000亿元以上，影响城市人口4000万人，因此，未来我国水资源面临的形势是非常严峻的。
2.6.4 有机废水的能源化利用方法
有机废水中的COD是造成环境污染的主要因素，废水治理的目的是将其中的有机污染物（一般以化学需氧量COD表示）降解为稳定、无害的无机物。传统的处理工艺是通过消耗外部能量或物质（供给氧气）将其中的有机物分解成CO2和水，从而使废水中的COD最终稳定为CO2。但从能量利用与温室气体排放控制的角度综合衡量，这种处理方式是与可持续发展战略相悖的。
事实上，有机废水中的COD含有大量的化学能，每千克COD约能产生1.4MJ的代谢能。如果在将COD转化降解为CO2的同时，将其化学能进行回收利用，对于节约能源有着重要意义。
将有机废水中的含能物质COD转化为能量的方法主要有两种：一种是直接将COD的化学能通过热化学氧化而转化为热能，实现这种转化的技术有焚烧、湿式空气氧化、超临界水氧化；另一种是先将有机废水中的COD转化为含能物质（CH4、H2），再使这些含能物质通过燃烧而实现能量的利用，实现这种转化的技术有水热气化和生物转化。
（1）热化学氧化
热化学氧化法是使有机废水在一定温度条件下发生氧化反应，从而放出热量，实现其能源化利用。根据反应条件和操作方式的不同，有机废水的热化学氧化法可分为如下几种：
1）焚烧法
由于有机废水中含有有机物质，因此可采用焚烧的方式实现能源化利用。但这种方式对有机物质的含量有一定的要求，临界值一般为10%左右。如果有机物含量低于这一临界值，则由于其热值低，不能维持系统自持运行，因此不宜采用焚烧方式。对于这种有机物含量低的有机废水，可采用将与其高浓度有机废液混合后共焚烧的方式实现能源化利用。
2）湿式氧化和超临界水氧化
由于有机废水宜于泵送，因此也可采用湿式氧化和超临界水氧化的方法，将其中所含的有机物氧化分解而获取能量。但由于湿式氧化和超临界水氧化的设备投资和运行费用较高，其主要目标在于消除有机废水中有机物对环境的污染，并不直接用于获取热能。
（2）水热气化
有机废水的水热气化是在合适的催化剂和一定的工艺条件下，使废水中的大分子物质发生裂解生成小分子的可燃气。目前研究最多的是有机废水超临界水气化制氢。
有机废水超临界水气化制氢是利用超临界水作为反应介质使废水中的有机物发生强烈的化学反应而产生氢气。超临界水气化制氢是一种新型、高效的可再生能源利用与转化技术，具有极高的能量气化效率、极强的有机物无害化处理能力，但该技术目前还处于实验室阶段，离大规模工业化还有一段距离。
（3）有机废水生物转化
有机废水生物转化技术是指在微生物或酶的作用下，将有机废水中所含的有机质转化成能源的方法，最典型的有机废水生物转化技术包括有机废水厌氧消化制沼气和有机废水厌氧消化制氢。
1）有机废水厌氧消化制沼气
利用有机废水制沼气是指有机废水在厌氧消化和其他适宜条件下，由厌氧菌和兼性菌的联合作用降解有机物，产生以甲烷为主的混合气的过程。有机废水消化制沼气有较长的历史，目前主要是研究通过改进技术改善沼气的品质，提高沼气的产率。
2）有机废水厌氧消化制氢
有机废水厌氧消化制氢是依据微生物在常温常压下进行酶催化反应制得氢气的原理进行的。厌氧发酵可利用的有机物的种类很多，更具有发展潜力。厌氧发酵过程中产生的氢气可以被某些细菌消耗掉，因此需要对原料进行前处理，尽可能地抑制耗氢细菌的活性，增加产氢细菌的量。
厌氧发酵制氢耗能少，具有成本优势，但如何稳定高效地连续制氢是今后需要攻克的问题。
虽然采用水热气化和生物转化可将有机废水中的COD物质转化为能源，但对于量大面广的有机废水而言，直接将含能物质COD转化为能源在工程上往往事倍功半，因为废水中的COD浓度不会太高，也就是说，废水的能量密度较低。为了提高COD的能源转化率，可先对污水中的COD进行分离后再实施转化。
一般地，污水中的COD分别以固体性与溶解性两种形式存在。固体性的COD可以简单通过直接沉淀或混凝后沉淀而予以分离，然后以被收集的污泥形式COD进行能源转化。而对溶解性的COD来说，直接沉淀难以奏效，这就需要通过生物合成途径先将溶解性COD转化为生物细胞形式的生物污泥，然后通过污泥、水分离（中间或二次沉淀），以剩余污泥的方式转化为能源。在工程上，实施溶解性COD转化为生物细胞的方法是以极短的固体停留时间（8～25h）或水力停留时间（15～30min），让细菌最大限度地合成细胞菌体，如，A/B法中的A段。以此种方式获得的生物污泥几乎不存在污泥的自身氧化（内源呼吸）作用，最大限度地避免了COD的直接氧化。
总之，污水中COD在转化前应首先以生物污泥形式从水中分离出来，以提高其能量密度。对生物污泥形式的COD，即可采用上节介绍的污泥能源转化技术进行能源化利用。