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                    專題
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                    《科學畫報》

                    開博時間:2016-07-01 14:43:00

                    由中國科學社于1933年8月創刊,距今已有80年的歷史?!犊茖W畫報》在80年的辦刊歷程中,形成了通俗生動、圖文并茂地介紹最新科技知識,形式多樣地普及科學技術的特點,對提高廣大群眾的科學水平,啟發青年愛好科學、投身科學事業起了很大的作用,當今的不少著名學者、教授、科學家,青少年時代都曾受到它的熏陶和啟發。

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                    既要治水,也要治泥

                    2021-06-16 09:13:00

                      我們都聽說過污水處理,但是有沒有想過,作為污水處理副產物的污泥最終去哪里了呢?如何對它們進行處理處置呢?它們能變廢為寶,甚至推動相關行業產業能級提升嗎?

                      事實上,污泥處理處置是一個很嚴峻卻常常被忽視的問題。我國每年的污泥產量多達數千萬噸,其中僅有20%~30%實現了穩定化、無害化處理。如果污泥被隨意堆置,很可能造成嚴重的二次污染。

                      國際上主流的污泥處理處置技術是厭氧消化技術,這種技術利用厭氧微生物,將污泥中的大分子有機物分解為甲烷、二氧化碳、水等簡單化合物,產生的沼氣可以用作綠色燃料。厭氧消化技術在解決了污泥污染問題的同時,還順便實現了生物質能的回收,可謂一舉兩得。但是很可惜,這種技術在我國的應用和運行遇到了很多困難,國外厭氧消化技術裝備在我國的運行穩定性很低,效率也不盡如人意。

                      造成這一局面的主要原因是我國污泥泥質特點與國外存在巨大差異。我國污水廠污泥普遍存在微細砂含量高、有機質含量低的特點,而且污泥組成非常復雜,既含有碳、氮、磷等資源性物質,也含有重金屬、難降解有機物、微塑料等污染性物質。另外,我國人口密度高,城市污泥的處理量很大。因此,開發適合我國污泥泥質特點的高級厭氧消化技術迫在眉睫。

                      為此,同濟大學環境科學與工程學院戴曉虎教授領銜的團隊歷經多年攻關,開發了高標準、高品質、全鏈條的污泥處理處置技術體系。同濟大學、上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司、上海交通大學三家單位共同完成的“污水廠污泥高效生物穩定化處理與資源化利用關鍵技術研發及其應用”項目也獲得了2017年上海市科學技術獎一等獎。

                    污水處理

                      污泥是個“潛力股”

                      有人可能會問:污泥真有變廢為寶的潛力嗎?

                      “泥”不可貌相,別看污泥又臟又臭,它可是個“潛力股”,只要利用得當,就能產生能源和效益。

                      20世紀80年代,加拿大研究人員曾經做過一個很有趣的試驗:他們建立了一個工廠,試著用污泥來生產燃料。他們先是通過機械方法去除污泥里的大部分水分和泥沙,然后將干污泥放進高溫蒸餾器中,結果發現:蒸餾之后得到的氣態組分轉化成了燃油,而固態組分轉化成了炭。于是,這家工廠開始利用這種方法生產燃料,每噸污泥可以生產2桶燃油和0.5噸燒結炭。

                      這個例子說明,污泥中的確含有可以進行資源化利用的成分。從那以后,隨著對城市污泥組成的進一步了解,人們漸漸意識到,污泥中富含碳、氮、磷等資源性物質,這些物質讓污泥擁有了變廢為寶的可能性。

                      如今,世界多國的科學家都在城市污泥的資源化利用方面做出了大量研究成果,開發了許多城市污泥的利用途徑。比如:污泥中的含碳組分可以用作污水除磷脫氨的補充碳源,可以生產甲烷或氫氣,可以制造微生物燃料電池,或者生產生物柴油;含氮組分和含磷組分分別可以用來制氮肥和磷肥。由于其中含有多種有機物和金屬,污泥還可以實現材料化轉化,用來制備吸附材料、催化材料或者儲能材料。

                      污泥怎樣變廢為寶?

                      雖然污泥具有很高的利用價值,但是要想把污泥變成資源,可不是一件容易的事情。污泥的處理處置要一步步來:首先要經過減量化和穩定化處理,也就是減少污泥的質量和體積,并且降解污泥中的易腐有機物質;然后進行無害化處理,使其不會對環境造成二次污染,不會危害人體健康;最后才是資源化處理,也就是回收具有使用價值的物質和資源。

                      每一個過程都有與之相適應的污泥處理處置技術。例如:濃縮、脫水適用于減量化處理,厭氧消化、好氧堆肥、焚燒適用于穩定化處理,厭氧沼氣回收、焚燒熱能回收、土地有機質利用、建材無機質利用等技術可用于資源化處理,等等。當然,其中有一些技術可以同時滿足多個處理目標。

                      乍一看,污泥的處理處置有這么多技術路線,似乎“條條大路通羅馬”,但是綜合考慮技術的成熟程度、經濟成本、可持續發展的可行性等因素,厭氧消化技術仍然是最值得關注的技術之一。

                    污水處理

                      污泥處理處置的“中國方案”

                      我國污泥厭氧消化技術的運行水平與發達國家差距很大。我國的污泥泥質特點之一是微細砂含量高,污水廠污泥中的微細砂含量為50%~70%,遠高于國外不到30%的含砂量。正是這個原因使得厭氧消化技術在我國“英雄難有用武之地”,數據表明,我國污泥單位有機質厭氧產氣率僅為國外的50%。那么,微細砂為什么會導致厭氧消化的效率降低呢?有沒有什么辦法能消除微細砂對厭氧轉化的抑制作用,開發出一種得到強化的高級厭氧消化技術路線呢?這就是項目團隊要解決的問題。

                      項目團隊在識別了我國典型高含砂污泥的泥質特點與消化特性的基礎上,首次闡明了微細砂對污泥有機質厭氧轉化的影響機制,即污泥有機質-砂結合體的厭氧轉化拮抗效應。在厭氧消化過程中,多種不同微生物的代謝過程相互影響、干擾,形成了非常復雜的生化過程。既然是生化過程,就離不開酶的參與,而微細砂與蛋白結合形成的絡合體會導致有機質的酶結合位點減少,表面位點密度下降和表觀活化能的上升使得污泥的厭氧轉化十分困難。據此可知,提升污泥厭氧轉化效能的途徑就是破壞蛋白與微細砂形成的絡合體。

                      在厘清了這一機制的基礎上,項目團隊開發出高含固厭氧消化技術,攻克了高含砂污泥厭氧消化過程轉化率低的難題。這一創新工藝的核心是熱水解預處理技術,它能有效提高溶解性有機污染物的比例,大大降低污泥的黏度,從而使污泥的降解率得到顯著提升。

                      項目還形成了污泥與餐廚等有機廢棄物協同處理處置的技術路線。所謂“協同”,不難理解,就是把兩種或兩種以上的物料放在一起進行厭氧消化處理,而且不同類型的物料能相互促進消化,使消化性能和經濟性能達到“1+1>2”的效果。協同消化之所以能發揮優勢,是因為協同消化過程可以平衡一些對于厭氧消化比較重要的物料參數,如碳氮比、pH值、含固率等。這項技術為我國城市餐廚垃圾等有機廢棄物的資源化處理與安全處置提供了新思路。

                      一系列自主創新技術也推動了我國污泥處置產業化的發展。項目成果的相關示范工程已經在長沙、鎮江等地建設完成,其中,長沙的污泥集中處理處置工程項目形成了具有自主知識產權的熱水解技術及裝備,實現了關鍵技術及裝備的國產化,其高效穩定化和資源化的技術路線屬國內首創,是當前國內運行的規模最大的污泥高級厭氧消化處理示范項目之一,產生了重大的環境、經濟和社會效益。

                    本文來自《科學畫報》

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