戴曉虎教授團(tuán)隊(duì)——高含固污泥厭氧消化：成果與展望
題目：High-solid anaerobic digestion of sewage sludge: achievements and perspectives
作者：Ying Xu1, Hui Gong1, Xiaohu Dai(?)1,2
作者單位：
1 State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse, School of Environmental Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China
2 Shanghai Institute of Pollution Control and Ecological Security, Shanghai 200092, China
關(guān)鍵詞：
高含固效應(yīng)，厭氧發(fā)酵，甲烷產(chǎn)量，生物可降解性，污泥處理
High-solid effect, Anaerobic fermentation, Methane production, Biodegradability, Sludge treatment
文章亮點(diǎn)
概述了高含固污泥厭氧消化的研究進(jìn)展。
揭示了影響高含固污泥厭氧消化工藝性能和工藝穩(wěn)定性的主要因素。
識別了當(dāng)前高含固污泥厭氧消化的研究空白和高含固效應(yīng)。
提出了解決高含固污泥厭氧消化研究空白和效率的未來努力方向。
文章簡介
在過去的幾十年里，高含固厭氧消化曾被廣泛應(yīng)用于處理有機(jī)廢棄物，如農(nóng)業(yè)廢棄物、城市有機(jī)廢棄物和餐廚垃圾等。然而，由于差的工藝性能和工藝穩(wěn)定性，高含固厭氧消化處理污水廠污泥由于其過程調(diào)控機(jī)制不明，發(fā)展受限。為此，開展了大量的研究來克服相應(yīng)的限制，提升高含固厭氧消化的穩(wěn)定性和效率。本文綜合分析了影響高含固污泥厭氧消化工藝性能和穩(wěn)定性的主要因素-高含固效應(yīng)；總結(jié)了提升工藝性能和穩(wěn)定性的主要方法，例如，高含固污泥預(yù)處理和高含固污泥與其它有機(jī)廢棄物的厭氧共消化。本文還討論了水熱預(yù)處理前后高含固污泥厭氧消化體系中有機(jī)物的遷移轉(zhuǎn)化特點(diǎn)，揭示了污泥高含固效應(yīng)主要來自于能夠抑制厭氧微生物活性的高濃度物質(zhì)，該效應(yīng)同時又造成了污泥差的傳質(zhì)、低的擴(kuò)散系數(shù)和高的粘度，識別了高含固污泥厭氧消化的研究空白。通過對當(dāng)前相關(guān)研究的總結(jié)，本文提出了將來的研究應(yīng)統(tǒng)一高含固污泥的定義，揭示在高含固污泥系統(tǒng)中污染物的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律、描繪靶向污染物在高含固污泥系統(tǒng)中的代謝途徑和構(gòu)建準(zhǔn)確的高含固污泥厭氧消化數(shù)學(xué)模型。此外，開發(fā)綠色的污泥脫水藥劑、從高含固污泥體系中獲取高附加值產(chǎn)品，并揭示它們對于高含固污泥厭氧消化的影響也應(yīng)該在將來的研究中得到重視。
隨著全球人口增長和城市發(fā)展，城市污水量急劇增加。隨之而來的城市污水處理過程中的污泥產(chǎn)量也持續(xù)增加。截至2019年年底，中國的污泥產(chǎn)量已經(jīng)超過了5000萬噸/年，預(yù)測這一數(shù)據(jù)在5年內(nèi)會增長到6500萬噸/年。由于污泥中含有大量的有毒、有害、易腐污染物，如不妥善處理將對環(huán)境和人類健康造成極大損害。厭氧消化因其能對污泥進(jìn)行無害化處理的同時回收資源，包括減少污泥量、殺死病原微生物并且回收生物能源-甲烷，成為一種備受青睞的污泥處理技術(shù)。通常以總固體含量15%（質(zhì)量比）為界限來區(qū)分高含固厭氧消化系統(tǒng)（總固體含量大于15%）和低含固厭氧消化系統(tǒng)（總固體含量小于15%）。由于中國的低含固污泥含有較低有機(jī)質(zhì)（揮發(fā)性固體占總固體量低于50%），低含固污泥厭氧消化系統(tǒng)在小型污水處理廠不具有普遍可行性，截至2019年，我國5200個污水處理廠中僅有70個采用了低含固污泥厭氧消化系統(tǒng)，其中，只有不到20個能正常運(yùn)行。這與管理落后、經(jīng)濟(jì)水平制約、規(guī)劃不足、以及污泥中低的揮發(fā)性固體占總固體比例有關(guān)。與低含固污泥厭氧消化系統(tǒng)相比，高含固污泥厭氧消化系統(tǒng)憑借其較小的反應(yīng)器體積、低的補(bǔ)溫能耗、少的污水產(chǎn)量、高的單位容積沼氣產(chǎn)量，被認(rèn)為可能是一種更可行的方法。截至2020年6月，在“ScienceDirect”里開展以“高含固厭氧消化”和“高含固污泥厭氧消化”為主題的文獻(xiàn)計(jì)量研究發(fā)現(xiàn)，在近15年里，有關(guān)“高含固厭氧消化”的文獻(xiàn)兩倍多于“高含固污泥厭氧消化”，這表明目前大多數(shù)高含固厭氧消化系統(tǒng)主要用于非污泥有機(jī)廢棄物。此外，在2006到2020年間，對于“高含固污泥厭氧消化”的文獻(xiàn)均以實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行開展，缺少文獻(xiàn)綜述；故本文對高含固污泥厭氧消化進(jìn)行全面綜述，總結(jié)當(dāng)前的研究進(jìn)展，找出研究空白，并探究提升高含固污泥厭氧消化的未來研究方向。總體而言，影響高含固污泥厭氧消化的主要因素有：固體含量、攪動、固體停留時間、溫度、pH值、氨/銨脅迫、揮發(fā)性脂肪酸、有毒有害物質(zhì)、流變性質(zhì)等等。針對目前存在的幾項(xiàng)研究空白：高含固污泥的定義不規(guī)范，高含固污泥厭氧消化中污染物的遷移和轉(zhuǎn)化不明確，高含固污泥厭氧消化中有機(jī)物的代謝途徑尚不清楚，高含固污泥厭氧消化的數(shù)學(xué)模型不足等；未來需要重點(diǎn)針對以上幾點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行探索，以提升高含固污泥厭氧消化效率。此外，需要進(jìn)一步探討污泥脫水劑對于高含固污泥厭氧消化的影響效果。
編者點(diǎn)評
隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展，污染排放總量高，土壤環(huán)境受到顯著影響。為了實(shí)現(xiàn)“青山綠水”的美麗中國，國務(wù)院依次印發(fā)了 “大氣十條”、 “水十條”和“土十條”，建設(shè)生態(tài)文明的小康社會，為人民享受新鮮空氣、潔凈水和健康的土壤提供保障。我國污水處理規(guī)模世界第一，但是污水處理過程產(chǎn)生的大量污泥，由于其具有多介質(zhì)復(fù)雜特征及“污染和資源”雙重屬性，存在傳統(tǒng)技術(shù)效率及穩(wěn)定性低的難題，處理不當(dāng)將帶來環(huán)境二次污染且浪費(fèi)大量資源，是我國污水處理的短板。目前常用的處理污泥的方法主要包括：厭氧消化、好氧發(fā)酵、污泥干化-焚燒、高干脫水-填埋/建材利用等，其中高含固厭氧消化是一種成本較低，效率高且回收生物能源的有效方法，具有可以大幅度降解易腐有機(jī)物質(zhì)、殺滅病原微生物、提高污泥脫水能力等優(yōu)點(diǎn)，特別是在目前碳達(dá)峰、碳中和的背景下，污泥厭氧消化技術(shù)回收生物質(zhì)能，作為污泥處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)具有很大的發(fā)展空間。本文綜述了近幾年有關(guān)高含固污泥厭氧消化處理研究進(jìn)展，分析了影響高含固污泥厭氧消化的主要因素，識別了高含固污泥厭氧消化的知識差距，并提出了提升高含固污泥厭氧消化的未來研究方向。本文對于我國污水廠節(jié)能減排、污泥處理與資源回收利用有十分重要的理論和指導(dǎo)意義。
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王新鋒，男，32歲，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)博士，研究方向?yàn)槲鬯幚砼c資源化利用。
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