我國污水廠(chǎng)污泥產(chǎn)量巨大，處理處置形勢嚴峻，實(shí)現污泥的資源化、能源化利用既是國家重大需求，也是“雙碳”目標要求。污泥具有“污染”和“資源”雙重屬性，厭氧消化處理在降低污染的同時(shí)從污泥中回收生物質(zhì)能，是實(shí)現污泥資源化、能源化的主流技術(shù)。但污泥泥質(zhì)復雜，污泥厭氧消化效率低，如甲烷產(chǎn)率低（通常低于理論值的50%）、甲烷在沼氣中的比例低（僅有65%左右）、反應周期長(cháng)（>20天），是本領(lǐng)域面臨的瓶頸問(wèn)題。為此，本團隊基于污泥具有多介質(zhì)、多組分的半剛性結構特點(diǎn)，提出了利用等電點(diǎn)瓦解污泥結構強化厭氧消化過(guò)程中污泥固-液界面非生物驅動(dòng)力，從而提升污泥厭氧消化效率的新原理，形成了基于等電點(diǎn)預處理的新型污泥厭氧消化技術(shù)，甲烷產(chǎn)率提升80%~150%（達到理論值的70%），甲烷在沼氣中比例達80%以上，反應周期縮短至5天。本技術(shù)從污泥中高效獲取生物質(zhì)能的同時(shí)回收多種物質(zhì)資源，并降低消化污泥重金屬污染，與傳統污泥厭氧消化技術(shù)相比，本技術(shù)可使年經(jīng)濟效益增加162%，減少約2.63 × 107kg CO2/年的碳排放量，具有顯著(zhù)的經(jīng)濟效益、社會(huì )效益和環(huán)境效益。

1 技術(shù)背景

隨著(zhù)活性污泥法在城鎮污水處理廠(chǎng)的普及應用，我國污水廠(chǎng)污泥產(chǎn)量與日俱增。據不完全統計，截止到2021年底，污泥年產(chǎn)量已突破6500萬(wàn)噸（以含水率80%計），污泥中含有大量易腐有機質(zhì)、重金屬、病原微生物等，若不妥善處理，將嚴重威脅環(huán)境，污泥處理處置形勢日益嚴峻。污泥具有“污染”和“資源”雙重屬性，隨著(zhù)現代污水處理廠(chǎng)的功能從削減污染向面向未來(lái)的資源、能源工廠(chǎng)轉變，富含有機污染物的污泥，不再被視為污染物，而是廉價(jià)的資源來(lái)對待，如圖1所示。在眾多的污泥處理技術(shù)中，厭氧消化具有能量回收高、環(huán)境影響低等特點(diǎn)，被認為是現代污水處理廠(chǎng)的重要組成部分。實(shí)現污泥中物質(zhì)與能量的高效轉化將是污泥厭氧消化技術(shù)所面臨的必然要求。

5 技術(shù)優(yōu)勢

本技術(shù)基本的工藝流程如圖5所示，與傳統污泥厭氧消化相比，基于等電點(diǎn)預處理的新型污泥厭氧消化技術(shù)具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：

• 回收污泥中無(wú)機碳和硫化物，降低其在厭氧消化過(guò)程中的逸散性排放

• 從污泥中去除并回收多價(jià)態(tài)金屬（包括重金屬）

• 顯著(zhù)提高甲烷產(chǎn)率，與傳統污泥厭氧消化相比，平均提高約120.9%

• 顯著(zhù)提高甲烷在沼氣中的比例，比例最大可達80%以上

• 顯著(zhù)縮短污泥厭氧消化的反應周期，固體停留時(shí)間（SRT）最短可縮短至5天，是傳統污泥厭氧消化反應周期的1/4

• 顯著(zhù)降低污泥厭氧消化后殘渣中的重金屬含量，減少約50%以上

圖5 基于等電點(diǎn)預處理的新型污水廠(chǎng)污泥厭氧消化技術(shù)流程圖

6 技術(shù)應用前景

基于等電點(diǎn)預處理的新型污泥厭氧消化技術(shù)操作方法簡(jiǎn)單易行，化學(xué)試劑用量低（以污泥pI=2.8為例，酸用量為80 mL 濃鹽酸（37%）/kg TS，堿用量為13 g NaOH/ kg TS），涉及的設備均為日常所見(jiàn)，在回收無(wú)機碳、硫化物、多價(jià)態(tài)金屬等資源物質(zhì)的同時(shí)高效回收生物質(zhì)能（CH4），并附帶減小消化污泥中重金屬污染，有利于污泥末端處理處置。

為準確評估本技術(shù)的應用前景，以上海某污水處理廠(chǎng)每年處理74460 t TS污泥為例進(jìn)行計算。由于一次性投入的基建費、設備運行費和人員投入費等會(huì )因不同地區或不同污水處理廠(chǎng)現狀的不同而存在較大差異，因此，在本次計算中暫不考慮。計算條件與結果如表1所示。與傳統污泥厭氧消化技術(shù)相比，本技術(shù)年經(jīng)濟效益將增加約162%，并且，將減少約2.63 × 107 kg CO₂/年的碳排放量（其中，能量源碳排放將減少約2.59 × 107 kg CO₂/年，逸散性碳排放將減少4.26 × 105 kg CO₂/年），具有顯著(zhù)的經(jīng)濟效益、社會(huì )效益和環(huán)境效益。

表1 新型和傳統污泥厭氧消化的基本評估分析

同濟大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院戴曉虎教授團隊