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,。像污泥這一類的，有機(jī)氮會(huì)轉(zhuǎn)化成氨氮,，這一類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)模化,，最后還是要有經(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)狻⒄釉睦媚苓_(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：
蒙公網(wǎng)安備 15012302000142號(hào)