技術前沿：基于等電點預處理的新型污泥厭氧消化技術
我國污水廠污泥產量巨大，處理處置形勢嚴峻，實現污泥的資源化、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從污泥中回收生物質能，是實現污泥資源化、能源化的主流技術。但污泥泥質復雜，污泥厭氧消化效率低，如甲烷產率低（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（>20天），是本領域面臨的瓶頸問題。為此，本團隊基于污泥具有多介質、多組分的半剛性結構特點，提出了利用等電點瓦解污泥結構強化厭氧消化過程中污泥固-液界面非生物驅動力，從而提升污泥厭氧消化效率的新原理，形成了基于等電點預處理的新型污泥厭氧消化技術，甲烷產率提升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。本技術從污泥中高效獲取生物質能的同時回收多種物質資源，并降低消化污泥重金屬污染，與傳統污泥厭氧消化技術相比，本技術可使年經濟效益增加162%，減少約2.63 × 107kg CO2/年的碳排放量，具有顯著的經濟效益、社會效益和環境效益。
1 技術背景
隨著活性污泥法在城鎮污水處理廠的普及應用，我國污水廠污泥產量與日俱增。據不完全統計，截止到2021年底，污泥年產量已突破6500萬噸（以含水率80%計），污泥中含有大量易腐有機質、重金屬、病原微生物等，若不妥善處理，將嚴重威脅環境，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，隨著現代污水處理廠的功能從削減污染向面向未來的資源、能源工廠轉變，富含有機污染物的污泥，不再被視為污染物，而是廉價的資源來對待，如圖1所示。在眾多的污泥處理技術中，厭氧消化具有能量回收高、環境影響低等特點，被認為是現代污水處理廠的重要組成部分。實現污泥中物質與能量的高效轉化將是污泥厭氧消化技術所面臨的必然要求。
5 技術優勢
本技術基本的工藝流程如圖5所示，與傳統污泥厭氧消化相比，基于等電點預處理的新型污泥厭氧消化技術具有以下幾點優勢：
回收污泥中無機碳和硫化物，降低其在厭氧消化過程中的逸散性排放
從污泥中去除并回收多價態金屬（包括重金屬）
顯著提高甲烷產率，與傳統污泥厭氧消化相比，平均提高約120.9%
顯著提高甲烷在沼氣中的比例，比例最大可達80%以上
顯著縮短污泥厭氧消化的反應周期，固體停留時間（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 基于等電點預處理的新型污水廠污泥厭氧消化技術流程圖
6 技術應用前景
基于等電點預處理的新型污泥厭氧消化技術操作方法簡單易行，化學試劑用量低（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，在回收無機碳、硫化物、多價態金屬等資源物質的同時高效回收生物質能（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。
為準確評估本技術的應用前景，以上海某污水處理廠每年處理74460 t TS污泥為例進行計算。由于一次性投入的基建費、設備運行費和人員投入費等會因不同地區或不同污水處理廠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相比，本技術年經濟效益將增加約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），具有顯著的經濟效益、社會效益和環境效益。
表1 新型和傳統污泥厭氧消化的基本評估分析
同濟大學環境科學與工程學院戴曉虎教授團隊
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