導(dǎo)讀：本文為同濟(jì)大學(xué)教授、城市污染控制國(guó)家工程研究中心主任戴曉虎在2022中國(guó)沼氣學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)上以“有機(jī)固廢技術(shù)創(chuàng)新思考”為主題進(jìn)行的發(fā)言。他從富集功能微生物、固液分離、沼渣利用、高效脫氮、磷回收強(qiáng)化、產(chǎn)物利用等角度介紹了當(dāng)前的研究進(jìn)展情況，指出有機(jī)固廢由于其復(fù)雜性，對(duì)于行業(yè)來(lái)說(shuō)既是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)，相信未來(lái)通過(guò)學(xué)科交叉等方面的技術(shù)開(kāi)發(fā)，有望獲得創(chuàng)新突破。
01
有機(jī)固廢的背景與需求
我國(guó)有機(jī)固廢產(chǎn)量大，存量多，年產(chǎn)約60-100億噸，存量也可達(dá)到200億噸。若不能得到有效處理，則會(huì)帶來(lái)環(huán)境污染的問(wèn)題。相比我國(guó)，發(fā)達(dá)國(guó)家在無(wú)廢城市和循環(huán)經(jīng)濟(jì)方面的相關(guān)政策和措施更加完善，特別像歐盟在2019年發(fā)布的《歐洲綠色新政》，明確提出在2050年資源開(kāi)采與經(jīng)濟(jì)要脫鉤，實(shí)現(xiàn)零廢棄物的目標(biāo)，這意味著到2050年這些廢棄物要最大化的實(shí)現(xiàn)資源化的處理。我國(guó)也提出了無(wú)廢城市，包括在二十大報(bào)告里面也提出了降碳、減污、擴(kuò)綠、增長(zhǎng)等要求，應(yīng)該說(shuō)從未來(lái)發(fā)展的角度解決這些廢棄物的污染問(wèn)題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)資源化循環(huán)利用，實(shí)現(xiàn)低碳綠色發(fā)展，這是國(guó)際的共識(shí)。
作為有機(jī)固廢，特別是易腐的有機(jī)固廢之所以會(huì)變成廢棄物，主要原因歸結(jié)于它具有多介質(zhì)、多組分的復(fù)雜特性。換句話說(shuō)，如果是很單一的介質(zhì)則會(huì)早早的被利用。有機(jī)固廢包含了各種物質(zhì)相互的作用，同時(shí)又有污染和資源的屬性。在這當(dāng)中我們也知道其富含了碳、氮、磷等資源。對(duì)生活源有機(jī)固廢來(lái)說(shuō)，磷是重要的戰(zhàn)略性資源，具有極高的戰(zhàn)略意義，所以歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)把磷作為戰(zhàn)略性的資源來(lái)看待。而世界上的磷礦經(jīng)過(guò)開(kāi)采和使用，預(yù)測(cè)未來(lái)可供用80-200年，未來(lái)的磷資源也需要循環(huán)利用，這只是有機(jī)固廢一個(gè)重要的資源化方向。所以在資源屬性和污染屬性共存的情況下，我們要實(shí)現(xiàn)它的無(wú)害化，同時(shí)也要最大化提升它的資源屬性，也是我們環(huán)境工程所要做的事情。
02
研究熱點(diǎn)
在過(guò)去，有機(jī)固廢的處理主要停留在第一階段，主要是污染的控制為主。而現(xiàn)在我們通過(guò)科技創(chuàng)新技術(shù)，在污染控制的同時(shí)要實(shí)現(xiàn)有機(jī)固廢的高轉(zhuǎn)化率，實(shí)現(xiàn)資源的回收利用。目前我們已有一些智能化的裝備，包含生物處理、熱處理等各種技術(shù)，但是技術(shù)和裝備的整體水平，還不能適應(yīng)未來(lái)既要污染控制又要實(shí)現(xiàn)資源化的提升的要求。所以在這樣的基礎(chǔ)背景下，我國(guó)和其他世界各國(guó)的同行們也是不遺余力的在這方面進(jìn)行研究。由于有機(jī)固廢成分太復(fù)雜，所以現(xiàn)在還是一個(gè)黑箱、灰箱，我們要做的工作是想辦法把黑箱變成白箱，就是說(shuō)在這樣復(fù)雜體系的過(guò)程中，我們?nèi)绾文軌蚨ㄏ虻恼{(diào)控。以下是六個(gè)重點(diǎn)的研究方向，目前已取得很好的進(jìn)展，同時(shí)對(duì)新技術(shù)的突破也是充滿著期待。
03
研究進(jìn)展
首先從有機(jī)固廢生物處理的角度來(lái)看，厭氧技術(shù)比較傳統(tǒng)。但是在污水處理的厭氧消化方面的發(fā)展速度相當(dāng)快，從過(guò)去的混合反應(yīng)器一直到現(xiàn)在的IC反應(yīng)器，在經(jīng)過(guò)近四十年的發(fā)展，已經(jīng)形成了很完善的技術(shù)。比如食品工業(yè)，像啤酒廠廢水的反應(yīng)停留時(shí)間，從過(guò)去的二十幾天可縮短到一天，這方面得益于顆粒污泥的發(fā)展。但是目前在固廢的厭氧消化方面，就我們提到的污泥、餐廚、秸稈，總體還是采用全混的反應(yīng)器，整體的效率還是比較低，這是我們面臨如何實(shí)現(xiàn)高效回收生物質(zhì)能的一個(gè)難點(diǎn)。其次是甲烷含量，目前在50%-70%。如何通過(guò)科技創(chuàng)新的方式提升甲烷產(chǎn)量，減少二氧化碳產(chǎn)量，縮短停留時(shí)間，提高轉(zhuǎn)化效率，是有機(jī)固廢的厭氧生物處理方面在未來(lái)很重要的方向。如果科技能夠在這方面有所突破的話，將來(lái)對(duì)廢棄物產(chǎn)沼氣，或者制備其他的高附加值產(chǎn)品的一些厭氧發(fā)酵過(guò)程，都是一個(gè)很好的提升。
在生物處理方面，我們目前也取得了比較好的進(jìn)展和成果，首先是利用現(xiàn)有的表征手段，在易腐有機(jī)固體復(fù)雜體系中探究生物降解機(jī)制以及抗降解機(jī)制；其次就是高含固的厭氧消化理論方面的發(fā)展，特別像是污泥處理，過(guò)去含固率是5%，現(xiàn)在可以是10%、15%；再有就是在多介質(zhì)協(xié)同的厭氧消化方面，包括在多介質(zhì)協(xié)同的厭氧消化的調(diào)控和物質(zhì)流角度的互補(bǔ)方面都得到了很好的發(fā)展。
同時(shí)我們也知道未來(lái)傳統(tǒng)的厭氧消化，要想提高它的效率，肯定離不開(kāi)生物處理技術(shù)和材料科學(xué)。在材料科學(xué)上面，包括MOF材料、鐵基復(fù)合材料，來(lái)驅(qū)動(dòng)和強(qiáng)化厭氧消化。并且國(guó)內(nèi)外從事這個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)家也都做了這方面的研究工作，有很多的小試和中試成果。如何實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步地放大，這也是未來(lái)的一個(gè)重點(diǎn)。并且我們的研究發(fā)現(xiàn)這些新材料的引入，一方面可以提高它的降解效率，另一方面也可以提高甲烷的含量。
另外，厭氧消化很重要的一點(diǎn)是如何富集功能的微生物。比如通過(guò)顆粒污泥進(jìn)行廢水處理的方式，也是通過(guò)不斷地篩選過(guò)程，富集了高效率的微生物菌群。在固相的厭氧消化過(guò)程中，也有這方面的研究，是通過(guò)自持氣浮的方式，實(shí)現(xiàn)功能微生物的富集。并且這種方法獲得了中國(guó)和美國(guó)的專(zhuān)利，也在中試研究當(dāng)中得到了證實(shí)。
固液分離也是一個(gè)很重要的方面，目前固液分離主要通過(guò)混凝沉淀的方式，需要添加藥劑，另外固液分離也存在瓶頸問(wèn)題，比如污泥含水率只到70%-80%，進(jìn)一步降低含水率難度較大，所以在這種情況下，對(duì)于固液分離的研究也是一個(gè)研究的熱點(diǎn)。并且固液分離后進(jìn)行厭氧消化，可實(shí)現(xiàn)多途徑資源化的回收利用。過(guò)去對(duì)水分的賦存形態(tài)和水-固相互作用等的理論認(rèn)識(shí)不足，而現(xiàn)在借助科技的發(fā)展，可通過(guò)先進(jìn)的表征手段進(jìn)行測(cè)定，也重新認(rèn)識(shí)了水固結(jié)合的形態(tài)、結(jié)合的方式。熱干化蒸發(fā)的方式需要很大的能耗，如果通過(guò)非相變、低藥耗的方式，這樣可以提高整個(gè)易腐有機(jī)固廢的處理能力和經(jīng)濟(jì)效益。在前期研究的基礎(chǔ)上，比如梯級(jí)壓力脫水，原來(lái)我們認(rèn)為易腐有機(jī)固廢是非壓縮性流體，而現(xiàn)在我們發(fā)現(xiàn)壓力達(dá)到一定程度以后，用梯級(jí)的方法是可以實(shí)現(xiàn)固液的高效分離。另外通過(guò)一些極性分子作為載體，極性溶劑可以實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用，破壞親疏水性能也可以實(shí)現(xiàn)固液高效的分離，這也是一個(gè)研究的熱點(diǎn)。
再一個(gè)方面是有機(jī)固廢厭氧產(chǎn)沼氣會(huì)產(chǎn)生大量的沼渣，但是沼渣如何實(shí)現(xiàn)更好的利用，這也是我們厭氧生物處理易腐有機(jī)固廢的重要方向。在這個(gè)過(guò)程中，我們知道沼渣和沼液是一個(gè)很好的資源，通常大家都認(rèn)為這一類(lèi)物質(zhì)對(duì)植物的生長(zhǎng)是很有利的，很多現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)也都表明的確是在植物生長(zhǎng)當(dāng)中有促進(jìn)作用，但是它的氮磷鉀的濃度處于合適的范圍。雖然我們?cè)谶@方面開(kāi)展了一些研究，但是在未來(lái)，我們要著重去實(shí)現(xiàn)這些過(guò)程的調(diào)控。
我們知道在厭氧消化過(guò)程中，特別是蛋白質(zhì)的含量是比較高的。像污泥這一類(lèi)的，有機(jī)氮會(huì)轉(zhuǎn)化成氨氮，這一類(lèi)氨氮如果不得到很好的處理，也會(huì)影響整個(gè)厭氧發(fā)酵的效益，也包括餐廚等。在此條件下，厭氧氨氧化技術(shù)用在厭氧消化濃度比較高的氨氮處理，這是比較有利的，但是在這個(gè)過(guò)程當(dāng)中也存在著復(fù)雜體系對(duì)厭氧氧化抑制的因素，在這方面國(guó)際國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)了一些相應(yīng)的工藝，如新型SPND耦合驅(qū)動(dòng)兩段工藝，還有用填料或載體的方式解決沼液處理不加碳源的情況下，比較高效、經(jīng)濟(jì)的脫氮變成氮?dú)?。另外隨著餐廚、廚余高含固的處理，過(guò)去厭氧消化只有500-600 mg/L的氨氮，現(xiàn)在高含固系統(tǒng)要達(dá)到2000-3000 mg/L的氨氮，像這樣的高氨氮其實(shí)是可以通過(guò)利用沼液的堿度，采用負(fù)壓的方式進(jìn)行氨的回收，變成碳酸氫銨這樣的物質(zhì)作為肥料去使用。
還有基于磷形態(tài)定向轉(zhuǎn)化的磷回收強(qiáng)化技術(shù)，磷的回收是很重要的方面。特別是污泥中磷形態(tài)分布相當(dāng)復(fù)雜，如何實(shí)現(xiàn)磷的高效回收，這個(gè)方面也做了大量的工作。目前我們國(guó)家還沒(méi)有相應(yīng)的這方面的政策，歐洲、德國(guó)已經(jīng)提出了污水廠污泥的磷回收計(jì)劃，相信中國(guó)在不久的將來(lái)也會(huì)在這方面有一些新的政策來(lái)引領(lǐng)，來(lái)提升我們國(guó)家磷回收的水平。
根據(jù)國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)，厭氧消化之后的沼渣在重金屬等不超標(biāo)的情況下，可以進(jìn)行土地利用。但是我們國(guó)家因?yàn)橛幸恍┏鞘械耐恋刭Y源有限，所以最后的末端產(chǎn)物實(shí)質(zhì)上是可以通過(guò)熱解的方式，一個(gè)是減量，一個(gè)是變成熱解的碳硅資源，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)建材利用和土地利用。這方面技術(shù)也得到了很好的發(fā)展，不過(guò)核心的問(wèn)題還是如何實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)的定向調(diào)控。
04
發(fā)展趨勢(shì)
? 理念的轉(zhuǎn)變——系統(tǒng)的思維
我們要轉(zhuǎn)變思維和理念，形成系統(tǒng)性思維，特別在雙碳的背景下，不要只說(shuō)處理，也要談利用。從它的能級(jí)的角度、資源化的角度，進(jìn)行源頭減量—資源化循環(huán)—末端處置，這也是國(guó)際上的一個(gè)共識(shí)。另外要加大清潔生產(chǎn)，像垃圾、廚余源頭的減量，這是固廢減量的重要環(huán)節(jié)。
? 降碳減污增長(zhǎng)——碳排放約束性指標(biāo)
從未來(lái)的發(fā)展來(lái)看，不管我們做研發(fā)也好，還是產(chǎn)業(yè)也好，碳排放肯定會(huì)作為一個(gè)約束性的指標(biāo)。我們過(guò)去主要考慮的是經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，但是未來(lái)考察環(huán)境效益，除了達(dá)標(biāo)以外，還要進(jìn)行碳排放的量化考核，所以這個(gè)也是我們未來(lái)在有機(jī)固廢研發(fā)，或者是新技術(shù)開(kāi)發(fā)的一個(gè)很重要的方面。
? 多學(xué)科交叉融合——賦能新技術(shù)原理產(chǎn)出
在未來(lái)一定是技術(shù)學(xué)科的交叉與融合，特別是現(xiàn)在的生命科學(xué)，分子生物學(xué)技術(shù)發(fā)展很快，另外材料科學(xué)的發(fā)展速度也很快，而且能很好的支撐有機(jī)固廢方面的研究。
? 信息技術(shù)——加強(qiáng)對(duì)厭氧功能微生物的認(rèn)知與探索
信息技術(shù)也是很重要的一個(gè)方面，通過(guò)這樣的技術(shù)手段，能加快提升我們?cè)趨捬醍a(chǎn)沼方面、厭氧發(fā)酵方面的技術(shù)水平。比如說(shuō)對(duì)厭氧消化功能微生物的認(rèn)知，過(guò)去我們都知道乙酸型產(chǎn)甲烷，現(xiàn)在還有甲基型、氫型等等，可以直接產(chǎn)生甲烷，在這方面的認(rèn)識(shí)相當(dāng)有限，只有不足0.1%的厭氧微生物的認(rèn)識(shí)，在這方面未來(lái)會(huì)有很大的提升和突破。
? 物理模型+大數(shù)據(jù)模型
包括未來(lái)黑箱如何實(shí)現(xiàn)調(diào)控，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室做了很多的物理模型，將來(lái)如果在生物代謝過(guò)程當(dāng)中，它的一些中間產(chǎn)物，包括信號(hào)分子能夠檢測(cè)到，以及將來(lái)會(huì)有大數(shù)據(jù)模型，通過(guò)大數(shù)據(jù)模型和物理模型的耦合，這樣可以大大促進(jìn)厭氧發(fā)酵技術(shù)的發(fā)展。
? 打通技術(shù)創(chuàng)新鏈——強(qiáng)化從0至1突破
現(xiàn)在高校有很多的想法，有很多的技術(shù)，但是現(xiàn)在還停留在書(shū)架上，如何讓這些技術(shù)真正的變成一個(gè)技術(shù)，國(guó)際上通常公認(rèn)的是九級(jí)就緒度，在這個(gè)九級(jí)真正變成技術(shù)當(dāng)中，特別是一些從0至1技術(shù)的突破，我覺(jué)得創(chuàng)新的全鏈條是很重要的一個(gè)因素。
? 產(chǎn)業(yè)協(xié)同模式——實(shí)現(xiàn)增長(zhǎng)增值
我們的產(chǎn)業(yè)要有規(guī)?；詈筮€是要有經(jīng)濟(jì)效益。在這樣的情況下，像協(xié)同處理的這種方式，比如說(shuō)城鄉(xiāng)易腐的有機(jī)固廢可以集中起來(lái)協(xié)同處理，這樣增加規(guī)模效益，同時(shí)也能夠?qū)崿F(xiàn)多介質(zhì)的互補(bǔ)，對(duì)產(chǎn)生的燃?xì)?、沼渣的利用能達(dá)到一定規(guī)模的話，也可以讓這些新的技術(shù)更好的落地，也體現(xiàn)我們二十大提出的降碳、減污、擴(kuò)綠、增長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)增長(zhǎng)增值。
05
結(jié)語(yǔ)
有機(jī)固廢很復(fù)雜，正因?yàn)樗膹?fù)雜，對(duì)我們來(lái)說(shuō)也是一個(gè)機(jī)遇和挑戰(zhàn)，所以我相信未來(lái)通過(guò)學(xué)科交叉等方面技術(shù)的開(kāi)發(fā)，特別是中國(guó)的團(tuán)隊(duì)，在這方面不遺余力的研究，中國(guó)在這方面的技術(shù)一定會(huì)有所突破和創(chuàng)新。因?yàn)槲覀冇泻芎玫氖袌?chǎng)需求，另外我們也有很好的科研團(tuán)隊(duì)，再加上現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室的這些表征手段，也得到了大幅提升，相信在這方面我們中國(guó)的團(tuán)隊(duì)會(huì)走在國(guó)際研發(fā)隊(duì)伍的前列?？傮w來(lái)說(shuō)我相信在雙碳目標(biāo)，特別是循環(huán)經(jīng)濟(jì)，無(wú)廢城市、無(wú)廢社會(huì)，人和自然和諧共生大的政策背景下，包括全球?qū)μ贾泻?，?yīng)對(duì)全球氣候變化這樣大的共識(shí)和背景下，對(duì)于有機(jī)固廢不僅僅會(huì)解決它的污染問(wèn)題，同時(shí)也會(huì)實(shí)現(xiàn)資源的高效回收利用。
來(lái)源：中國(guó)給水排水
當(dāng)前位置：
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