本欄目由 “世界科學(xué)”和 “賽先生”聯(lián)合出品

本篇報(bào)道圍繞2017年上海市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)項(xiàng)目《污水廠污泥高效生物穩(wěn)定化處理與資源化利用關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及其應(yīng)用》展開，該獎(jiǎng)項(xiàng)由同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院院長(zhǎng)戴曉虎教授領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)獲得。

廢物？寶物？污泥就是這樣讓人愛恨糾葛的矛盾體。

作為污水處理的產(chǎn)物，污泥含有致病微生物、有機(jī)污染物、重金屬等，多數(shù)污泥面臨著脫水+填埋或不知去向的命運(yùn)。截至2017年12月底，全國(guó)城鎮(zhèn)污水廠5027座，年產(chǎn)生污泥5000多萬(wàn)噸，但其無(wú)害化處理率僅20%～30%。隨意的處置更加加重了環(huán)境的污染，污泥在人們的忽視中逐漸成為“城市之殤”。

然而，污泥中也含有豐富的氮、磷、鉀等資源，如果利用得當(dāng)，將產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境價(jià)值。

以磷為例，三磷酸腺苷是細(xì)胞能量物質(zhì)，磷對(duì)于生命的代謝生長(zhǎng)具有重要作用，而磷是一種不可再生資源。國(guó)外有媒體預(yù)測(cè)，地球上的磷礦將在未來50年消耗殆盡。

荷蘭、德國(guó)、日本等國(guó)家很早就開始著手磷資源的循環(huán)利用，他們發(fā)現(xiàn)從集中了污水中90%磷的污泥中回收磷將成為應(yīng)對(duì)磷礦資源危機(jī)的有效途徑。

荷蘭Amersfoort污水處理廠利用Pearl技術(shù)處理含高磷和氨氮濃度的脫水污泥上清液，生產(chǎn)鳥糞石，作為農(nóng)業(yè)肥料原料。

荷蘭2016年通過污泥回收了約4萬(wàn)噸磷，相當(dāng)于農(nóng)業(yè)化肥中磷用量的10%。我國(guó)雖然磷礦資源相對(duì)比較豐富，但是也要“未雨綢繆”。

污泥還能用于園林綠化、土壤修復(fù)改良、建筑材料等。美國(guó)將污泥堆肥后，作為有機(jī)肥利用于果林，起到了良好的種植效果。

在建材利用方面，日本一直走在前列，利用污泥的焚燒灰制磚。為了打通污泥建材利用的出路，日本先后建造一些“生態(tài)水泥廠”，同時(shí)配套一系列措施，包括降低企業(yè)初期投資成本，為“生態(tài)水泥”提供低價(jià)優(yōu)先采購(gòu)政策等。

我國(guó)在污泥資源化利用方面仍有很長(zhǎng)一段路要走。

首先是我國(guó)的排水管網(wǎng)由于雨污混接、泥砂沖刷等問題，污泥的有機(jī)質(zhì)含量低于國(guó)外，而污泥中又存在鹵代物、有機(jī)污染物、重金屬等物質(zhì)，部分專家認(rèn)為為了這點(diǎn)效益冒安全風(fēng)險(xiǎn)并不值當(dāng)。

其次，我國(guó)資源化利用的園林、農(nóng)業(yè)部門和污水處理的市政部門屬于不同的管理系統(tǒng)，利益鏈條難以打通。污泥產(chǎn)品又由于成本偏高、產(chǎn)品不成熟，難以形成市場(chǎng)通路，污泥產(chǎn)品無(wú)法消納。

盡管困難重重，科研人員并沒有放棄努力。除了推進(jìn)相關(guān)政策管理機(jī)制問題的解決，他們也在追尋更加完善的污泥處理技術(shù)，讓污泥在成品或者進(jìn)入環(huán)境前實(shí)現(xiàn)無(wú)害化、減量化和穩(wěn)定化。

污泥處理技術(shù)

污泥的處理是一場(chǎng)“變廢為寶”的“修行”，它的處理方式由污泥的“變廢為寶”的去向、出路決定，通常有污泥濃縮、脫水、干化焚燒、消化、發(fā)酵等。

污泥的濃縮主要是通過減少間隙水降低污泥“膨脹”的體積，便于后續(xù)厭氧消化等處理方式的開展。我國(guó)常用的污泥濃縮方法是重力濃縮和浮選濃縮。

污泥脫水旨在進(jìn)一步降低污泥含水率，這一過程依賴污泥機(jī)械脫水設(shè)備，但是，目前使用的脫水設(shè)備還會(huì)存在高能耗和高藥劑投加量等問題。

焚燒是通過高溫?zé)崽幚砻撍�污泥�?shí)現(xiàn)相對(duì)徹底的無(wú)害化，需要解決的問題在于如何減少焚燒引起的二噁英等污染物排放。

厭氧消化是利用厭氧性微生物將污泥內(nèi)的有機(jī)成分轉(zhuǎn)化成甲烷和二氧化碳，有效地降解易腐有機(jī)物，提高污泥脫水率，實(shí)現(xiàn)污泥穩(wěn)定化的同時(shí)還能回收能源。

好氧發(fā)酵是利用嗜熱菌的作用，分解污泥中有機(jī)物，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的腐殖質(zhì)。處理后的污泥能夠滿足園林綠化和土壤改良需要，甚至能夠達(dá)到嚴(yán)格的農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)。目前該工藝還會(huì)存在發(fā)酵周期長(zhǎng)、占地面積大、臭氣排放、含水量大、運(yùn)行費(fèi)用高等問題。

好氧發(fā)酵和厭氧消化是兩種應(yīng)用較為成熟的污泥穩(wěn)定化技術(shù)，是污泥進(jìn)行“變廢為寶”脫變的重要手段，在發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用率超過60%。這其中特別強(qiáng)調(diào)的是厭氧消化技術(shù)，無(wú)論從循環(huán)經(jīng)濟(jì)還是從可持續(xù)發(fā)展角度，都值得我們更多的關(guān)注。

我國(guó)厭氧消化技術(shù)突破

我國(guó)的污泥泥質(zhì)差，有機(jī)質(zhì)含量低，泥沙含量高，而泥量又大，國(guó)外的技術(shù)進(jìn)口到國(guó)內(nèi)往往會(huì)因?yàn)?ldquo;水土不服”而“失靈”。當(dāng)下，我國(guó)厭氧消化普及率很低，僅為3%，2016年全國(guó)約有4000座污泥處理廠，其中60座采用厭氧消化設(shè)備，核心裝備進(jìn)口率高達(dá)70%以上，但目前能夠連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的不到20座。

因此，我們迫切需要?jiǎng)?chuàng)新實(shí)現(xiàn)厭氧消化技術(shù)“國(guó)產(chǎn)化”。為此，大量國(guó)內(nèi)科技人員前赴后繼，對(duì)污泥厭氧消化技術(shù)進(jìn)行大量的創(chuàng)新研發(fā)和技術(shù)攻關(guān)，包括：

研究熱水解、酶解、微波、超聲波等預(yù)處理手段，以提高厭氧過程的水解酸化速率；開發(fā)高溫消化、延時(shí)消化等高級(jí)厭氧消化技術(shù)，提高揮發(fā)性固體的負(fù)荷降解率。

這些技術(shù)成果在國(guó)內(nèi)實(shí)際工程應(yīng)用中也確實(shí)取得了一定的成效，例如：

長(zhǎng)沙黑糜峰污泥高級(jí)厭氧消化工程和北京高碑店污水處理廠等均采用了熱水解預(yù)處理技術(shù)；

鎮(zhèn)江協(xié)同處理示范工程進(jìn)行污泥與含有機(jī)質(zhì)較高的餐廚垃圾協(xié)同消化，提高產(chǎn)氣效率；

北京槐房污泥處理處置中心采用高溫預(yù)處理厭氧消化技術(shù)。

其中，同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院院長(zhǎng)戴曉虎團(tuán)隊(duì)在污泥的厭氧消化技術(shù)研發(fā)及其應(yīng)用方面就取得了關(guān)鍵的成果。

據(jù)了解，戴曉虎具有18年德國(guó)公司工程技術(shù)開發(fā)研究及工程轉(zhuǎn)化經(jīng)驗(yàn)，長(zhǎng)期從事污泥處理及資源化綜合利用，研究有機(jī)垃圾與污泥組合再生能源利用技術(shù)。

國(guó)內(nèi)污泥實(shí)現(xiàn)資源化利用，是戴曉虎堅(jiān)定的信念，他曾表示：“資源化是污泥處理處置的必然選擇之一，穩(wěn)定化則是污泥利用的核心。”

針對(duì)我國(guó)厭氧消化技術(shù)中有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化率低、設(shè)施處理負(fù)荷低、工程運(yùn)行效益低這三大瓶頸問題，戴曉虎帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開展了大量的技術(shù)攻堅(jiān)。歷經(jīng)8年，該團(tuán)隊(duì)終于獲得突破：

首次建立了適用于我國(guó)泥質(zhì)特點(diǎn)的污泥高級(jí)厭氧消化技術(shù)路線，為我國(guó)污泥、餐廚垃圾等有機(jī)廢物的資源化處理與安全處置提供了新出路。

水熱活化預(yù)處理

從成因出發(fā)，戴曉虎團(tuán)隊(duì)對(duì)我國(guó)泥質(zhì)性質(zhì)、理化特征開展了大量基礎(chǔ)研究工作。

該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)我國(guó)污泥中細(xì)砂粒的含量高，粒度＜200 μm的顆粒含量在90%以上。這會(huì)使得污泥胞外聚合物（EPS）蛋白-微細(xì)砂形成超分子結(jié)合體，酶可結(jié)合位點(diǎn)減少，表面位點(diǎn)密度下降和表觀活化能上升，最終造成污泥厭氧轉(zhuǎn)化困難重重。因此，要想提升污泥的厭氧消化效能，有效的途徑就是破壞這種聚合體結(jié)構(gòu)。

找到根源，對(duì)癥下藥，戴曉虎團(tuán)隊(duì)發(fā)明了水熱預(yù)處理技術(shù)，開發(fā)出罐式污泥漿化降粘耦合熱水解預(yù)處理成套裝備，促進(jìn)污泥中有機(jī)質(zhì)溶出，降低污泥黏度，將污泥降解率提高15%，解決了厭氧消化有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化率低的問題。同時(shí)，該技術(shù)還能起到消毒和滅菌的效果。

長(zhǎng)沙市污水處理廠污泥集中處置工程是該技術(shù)的首次探索應(yīng)用，日處理規(guī)模為500噸，采用“污泥熱水解+高含固厭氧消化+脫水+干化”工藝。該工程中污泥有機(jī)質(zhì)降解率提高了30%以上，甲烷產(chǎn)率提高40%以上，使我國(guó)典型低有機(jī)質(zhì)污泥的厭氧轉(zhuǎn)化率達(dá)到國(guó)外高有機(jī)質(zhì)污泥的技術(shù)水平。

上海同濟(jì)普蘭德生物質(zhì)能股份有限公司熱水解系統(tǒng)

高含固厭氧消化技術(shù)

污泥中含氮物質(zhì)在微生物的作用下會(huì)降解成小分子的氨氮，其中游離態(tài)氨因?yàn)槭鞘杷�分子，進(jìn)入微生物細(xì)胞后，會(huì)對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生毒害作用，從而抑制厭氧消化的效率。研究表明，這種毒害作用在高含固厭氧消化系統(tǒng)（含固率＞10%）中表現(xiàn)得尤為明顯。

為了攻克高含固消化設(shè)施處理負(fù)荷低的難題，戴曉虎團(tuán)隊(duì)開發(fā)了pH調(diào)控游離氨、水解降粘、攪拌傳質(zhì)等高含固調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)，影響菌落種類結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)游離氨濃度，以改善高含固消化系統(tǒng)的產(chǎn)氣性能。

該項(xiàng)目的成果已經(jīng)應(yīng)用于鄭州等污泥處理示范項(xiàng)目，應(yīng)用規(guī)模達(dá)3000 t/d，應(yīng)用效果表明：可使現(xiàn)有消化設(shè)施的含固率由國(guó)外主流的5%提升至10%以上，處理負(fù)荷率提高1倍，從2kgVS/（m3 d）提高到4kgVS/（m3 d）以上，超過了國(guó)外主流技術(shù)3kgVS/（m3 d）的技術(shù)水平。

污泥與餐廚垃圾等協(xié)同消化

戴曉虎團(tuán)隊(duì)也清楚地認(rèn)識(shí)到我國(guó)污泥有機(jī)質(zhì)含量較低，自身厭氧消化沼氣產(chǎn)率相對(duì)較低，經(jīng)濟(jì)效益無(wú)法自足的問題，但如果與有機(jī)質(zhì)含量較高的餐廚垃圾協(xié)同處理可能是一個(gè)雙贏的出路。

戴曉虎領(lǐng)銜團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)“餐廚+污泥”這個(gè)組合對(duì)于厭氧消化的穩(wěn)定性和沼氣的產(chǎn)量提升都有良好的幫助。但是，在餐廚垃圾厭氧消化過程中，有機(jī)酸會(huì)快速積累，導(dǎo)致反應(yīng)體系pH降低，抑制產(chǎn)甲烷菌的活性，影響反應(yīng)效率。

團(tuán)隊(duì)利用污泥水解速率慢的特性調(diào)控解決了餐廚垃圾厭氧消化易酸化、鹽抑制的難題，創(chuàng)新開發(fā)了多有機(jī)質(zhì)協(xié)同消化調(diào)控技術(shù)，在不增加池容的前提下，使污泥消化設(shè)施可同時(shí)消納等量的餐廚垃圾，顯著提高工程運(yùn)行效益。使用這種高級(jí)協(xié)同厭氧消化技術(shù)，1噸高固污泥能生產(chǎn)出1.75～3.10m3的沼氣。

成果應(yīng)用于我國(guó)首座采用高含固技術(shù)的鎮(zhèn)江污泥與餐廚協(xié)同處理處置項(xiàng)目（260 t/d），消化設(shè)施的甲烷產(chǎn)率提高1倍以上。項(xiàng)目采用的工藝流程為“熱水解預(yù)處理+高固體厭氧消化+脫水+干化”。

為此戴曉虎領(lǐng)銜的《污水廠污泥高效生物穩(wěn)定化處理與資源化利用關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及其應(yīng)用》項(xiàng)目榮獲2017年上海市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)。除此以外，相關(guān)研究榮獲國(guó)內(nèi)多個(gè)重量級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)，其中“一種高含固生物污泥連續(xù)熱水解裝置與方法”獲得第十八屆專利優(yōu)秀獎(jiǎng)；2020年12月，“污泥全鏈條資源化處理處置關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用”項(xiàng)目獲得2020年度環(huán)境保護(hù)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

該研究團(tuán)隊(duì)并不局限于科研成果，更加重視科研轉(zhuǎn)化。目前，成果已遍地開花，在長(zhǎng)沙、鎮(zhèn)江、鄭州、大連、秦皇島、中山、寧波等地得到推廣應(yīng)用，總規(guī)模已經(jīng)超過100萬(wàn)噸/年，回收沼氣4000萬(wàn)立方米/年，CO2減排8萬(wàn)噸/年，成功打破了該領(lǐng)域內(nèi)國(guó)外技術(shù)壟斷的情況。

面對(duì)氣候變化、能源短缺問題，未來我國(guó)將更加重視生態(tài)文明建設(shè)和綠色高質(zhì)量發(fā)展，綠色、循環(huán)、低碳是技術(shù)創(chuàng)新的方向。污泥資源化是挑戰(zhàn)，也是機(jī)遇。相信在我國(guó)廣大污泥從業(yè)人員的付出和努力下，我國(guó)在固廢資源化方向?qū)��?huì)走出中國(guó)特色的技術(shù)路線。

“世界科學(xué)”聯(lián)合“賽先生”微信公號(hào)，在上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)資助下，開辟“走近科學(xué)”欄目，對(duì)獲得國(guó)家及上海市科技獎(jiǎng)勵(lì)的成果進(jìn)行科普化報(bào)道。