中国给水排水2024年城镇污泥处理处置技术与应用高级研讨会(第十五届)邀请函 (同期召开固废渗滤液大会、工业污泥大会、高浓度难降解工业废水处理大会)
 
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文章推荐|戴晓虎教授团队:双碳背景下有机固废资源化处理处置技术发展思考 杨东海 华煜 武博然 戴晓虎* (同济大学 环境科学与工程学院,上海 200092)

放大字体  缩小字体 发布日期:2023-03-20  来源:文章推荐|戴晓虎教授团队:双碳背景下有机固废资源化处理处置技  浏览次数:313
核心提示:文章推荐|戴晓虎教授团队:双碳背景下有机固废资源化处理处置技术发展思考 杨东海 华煜 武博然 戴晓虎* (同济大学 环境科学与工程学院,上海 200092)
中国给水排水2024年城镇污泥处理处置技术与应用高级研讨会(第十五届)邀请函 (同期召开固废渗滤液大会、工业污泥大会、高浓度难降解工业废水处理大会)

中国给水排水2024年城镇污泥处理处置技术与应用高级研讨会(第十五届)邀请函 (同期召开固废渗滤液大会、工业污泥大会、高浓度难降解工业废水处理大会)
 















文章推荐|戴晓虎教授团队:双碳背景下有机固废资源化处理处置技术发展思考

杨东海 华煜 武博然 戴晓虎*

(同济大学 环境科学与工程学院,上海 200092)

研究背景

人类生产生活会消耗大量的资源,同时产生大量的废弃物。中国有机废弃物包含厨余垃圾、餐厨垃圾、城市污泥等生活源,农业秸秆、畜禽粪污等农业源和菌渣、酒糟等工业源废弃物,产量大,涉及面广,总量超过40亿t,位居全球首位。有机固废具有污染物和资源的双重属性,如不妥善处理和利用,将会造成严重的环境污染和资源浪费。有机废弃物的资源化处理处置是我国减污降碳和无废城市建设的重要任务。

我国有机固废传统上以填埋处置方式为主,资源化利用率较低。近年来,国家陆续提出了无废城市、垃圾分类和循环经济等系列行动计划,对有机固废资源化提出了明确的要求。在气候变化和资源短缺的背景下,固体废物资源化利用成为绿色发展和循环发展的重要切入点和抓手。有机固废易腐败、高含水、污染与资源并存的属性决定了其稳定化、减量化、无害化和资源化处理处置的基本原则。但由于有机固废具有多介质、多组分的复杂特性,传统处理过程存在生物转化效率低、固液分离能耗药耗高、热化学过程调控难的瓶颈问题,限制了有机固废资源转化的技术水平。故亟需对有机固废关键物质结构与性质进行识别,解析“污染物”潜藏资/能源物质激活原理与转化途径,开发资源物质回收与难降解污染物的稳定去除的方法,创新有机固废资源化处理处置技术和协同模式,实现从“有机固废大国”向“有机固废强国”的转变。

本文围绕我国有机固废资源化的技术需求,综述了我国有机固废产生与处理现状,分析了有机固废特性和处理技术需求,总结了有机固废生物处理、热化学处理、固液分离、资源回收等技术的研究进展和难点,提出了有机固废未来技术突破方向,以期为我国无废城市建设和双碳目标的实现提供科技支撑。

摘  要

有机固废资源化是我国减污降碳和无废城市建设的重要任务,是绿色低碳循环发展的重要抓手。综述了我国不同来源有机固废的产量与处理现状,梳理了我国无废城市、减污降碳等有机固废相关政策文件。基于有机固废易腐败、高含水的特性,以及污染和资源双重属性,提出了以无害化为目标、以资源化为手段的基本理念。总结分析了有机固废作为多介质、多组分交互的复杂体系,在生物转化、热化学转化、固液分离、产物资源利用方面的研究进展和技术难点,并提出了有机固废未来重点突破方向,旨在为我国有机固废资源化处理处置的技术研究提供参考。

01

我国有机固废产生与利用现状

1. 产生与处理处置现状

近年来,我国城乡有机固体废弃物(厨余垃圾、城市污泥、农作物秸秆、畜禽粪便等)的产生量迅速增长。根据中国城乡建设统计年鉴,2021年我国县级以上城镇地区污泥产量超过8000万t(以80%含水率计),预计2025年我国城镇污泥产量将突破1亿t。2021年我国县级以上城镇地区生活垃圾清运量达到3.2亿t。详见图1。按照厨余垃圾占比40%估算,我国厨余垃圾(含餐厨垃圾)年产生量约为1.28亿t。根据第二次全国污染源普查测算,2020年我国畜禽粪污年产量30.5亿t,秸秆产生量约为8亿t。我国有机固废年产总量超过40亿t。

我国城镇生活垃圾早期以混合填埋为主,随着垃圾填埋设施逐渐趋于相对饱和,垃圾焚烧设施建设进入高峰期,垃圾焚烧处理能力逐年增加。目前,城市生活垃圾焚烧处理量占比约62%,卫生填埋占比约33%,已形成以焚烧为主的生活垃圾处理格局。县城生活垃圾卫生填埋处理量占比为72%,仍是当前生活垃圾最主要的处理方式。随着国家垃圾分类政策的不断推进,目前46个重点城市基本建成生活垃圾分类系统。以上海市为例,2021年湿垃圾产量平均已经超过1万t/d,占干湿垃圾总量40%左右。根据统计数据,国内已建和在建厨余垃圾处理设施中,厌氧消化工艺约占处理总量的87.5%,其余工艺仅占12.5%。

我国污泥处理处置起步较晚,早期存在“重水轻泥”现象,投资严重不足,大部分污泥以简易填埋为主,没有得到妥善处理处置。随着国家对污泥问题的重视和配套科技投入的不断加大,建设了一批示范工程,污泥稳定化处理和焚烧比例有所增加,基本形成4条污泥安全处理处置与资源化利用主流技术路线。但目前我国只有不到5%的污水处理厂采用了污泥厌氧消化,远低于欧洲、美国和新加坡等国家。由于我国大部分污泥没有经过稳定化处理,同时污泥土地利用受跨部门限制,导致污泥土地利用比例远低于发达国家70%的水平。

《第二次全国污染源普查公报》显示:2017年国内畜禽养殖业水污染物排放的化学需氧量达1000.53万t,占农业源排放总量的94%,总氮和总磷排放量分别占42%和56%,是农业面源污染的主要来源。据估算,2016年全国每年产生畜禽粪污38亿t,综合利用率不到60%;每年生猪病死淘汰量约6000万头,集中的专业无害化处理比例不高;每年产生秸秆近9亿t,其中未利用的约2亿t,综合利用率不足80%。农业废弃物量大面广、乱堆乱放、随意焚烧,严重威胁城乡生态环境。

2. 处理处置技术需求与瓶颈

有机固废具有易腐败、高含水的特性,具有污染和资源的双重属性,故稳定化、减量化、无害化和资源化是有机固废处理处置的基本原则。城乡有机废弃物量大面广,其资源化处理处置是我国减污降碳和无废城市建设的重要任务。

有机固废的处理处置同时也是不可忽视的碳减排抓手。欧洲统计局(Eurostat)2016年数据显示,废弃物领域是第5大碳排放行业,碳排放量占全社会总量的3.2%。从温室气体类型来看,甲烷是全球第2大的温室气体,对温室效应的影响占比达到17.3%,其中废弃物是甲烷的第3大排放源,26%的甲烷排放来自于废弃物。虽然废弃物领域碳排放量占全社会比例不大,但涉及环境和民生问题,对于我国是深入打好污染防治攻坚战的重要抓手,社会效益显著。同时有机废弃物蕴含了大量的资源和能源,通过对废弃物资源化潜力的挖掘,是最有望实现碳中和的领域之一。此外,废弃物领域甲烷占全社会排放量比例较大,而实现CH4等逸散性温室气体的减排,是在短期内实现减少全球变暖和控制全球升温幅度在1.5℃以内目标的重要途径。

有机固废含有大量易腐有机质和病原菌,如不进行稳定化处理,容易腐败发臭,传播病原菌,并排放大量温室气体。厌氧消化是实现有机固废稳定化处理最经济有效的方式,同时还可以回收沼气能源。然而污泥等有机固废具有多介质、多组分交互作用的复杂特性,特别是我国污泥有机质低(我国污泥有机质含量为30%~60%,发达国家污泥有机质含量为60%~80%)、含砂量高,采用传统厌氧消化工艺存在降解率低、停留时间长、有机负荷低的瓶颈。和废水厌氧处理相比,有机固废厌氧转化整体效率较低,停留时间较长,通常需要维持在20d以上。实现易腐有机质的高效稳定化和生物质能的高效回收是有机固废厌氧处理的难点。

污泥等易腐有机固废具有高含水的特性,大量水分会导致其运输成本高,是制约易腐有机固废处理处置效率的主要因素之一。但由于污泥是有机—无机—水分高度混杂的非均相复杂体系,有机组分亲水性较强,导致传统脱水方式固液分离困难。而传统水处理领域中的混凝/絮凝理论对于高固体浓度的污泥体系并不适用,尚缺乏污泥专用的调理方法。传统机械脱水存在脱水难度大、加药量大的瓶颈问题,传统热干化能耗高,不可持续。实现固液高效分离是污泥等高含水有机固废资源化处理处置的技术难点。

固体废物是放错位置的资源,固废资源化利用是循环经济的典型内涵。有机固废富含碳、氮、磷资源物质,其中磷作为重要的战略性资源,其回收对于解决全球磷危机具有重要意义。以污水厂污泥为例,污水中90%以上的磷资源富集在污泥中。德国于2017年10月3日通过了对《污水污泥条例》的修订,其核心内容是要求从污水污泥或其焚烧灰中回收磷,其难点在于污泥中磷的形态复杂、释放效率低、回收难度大。有机固废厌氧会产生大量的高氨氮沼液,传统脱氮工艺流程长,药剂投加量大,处理能耗高。功能性微生物的富集、调控与规模化培育是实现高效脱氮的难点。

产物出路不畅通是有机固废处理的瓶颈问题之一。以污泥为例,污泥处置的方式主要有填埋、建材利用和土地利用。目前,脱水填埋依然是我国污泥的主要处置方式,但污泥填埋会占用大量土地,并释放大量温室气体,且我国部分经济发达城市面临无地可埋的困局。建材利用需要对污泥进行干化焚烧或协同焚烧处理,以实现污泥的矿化和无害化。由于污泥含水率较高,有机质含量低,热值不高,导致焚烧存在投资运行成本高,尾气排放难以稳定达标,邻避效应突出等问题。土地利用是污泥生态化处置的重要消纳路径,是发达国家最重要的处置方式,但受限于意识、标准衔接、处理水平等方面,我国污泥土地利用比例目前还较低。

3. 相关政策分析

发达国家和地区纷纷提出了无废社会的目标。欧盟委员会2014年提出了“迈向循环经济:欧洲零废物计划”,2019年发布《欧洲绿色新政》,明确提出在2050年资源与经济要脱钩,实现零废弃物的目标;新加坡提出了“零废物”的国家愿景;日本提出建设“循环型社会”;我国台湾地区提出构建“零废弃社会”的目标。从发达国家和地区的经验来看,固体废物资源化利用是绿色发展和循环发展的重要切入点和抓手。建设“无废社会”是经济社会发展的一项基础性工作,是解决新时期社会主要矛盾的重要举措,生态文明建设的内在要求,实施乡村振兴战略的有力抓手。

近年来,随着我国对环境问题的重视,陆续发布了一些列涉及有机固废资源化相关的指导文件,对于我国无废城市建设、发展循环经济、实现双碳目标具有重要的指导意义。

2018年12月,国务院办公厅印发《“无废城市”建设试点工作方案》(国办发〔2018〕128号),提出通过“无废城市”建设试点,大力推进源头减量、资源化利用和无害化处置,探索建立量化指标体系,形成可复制、可推广的建设模式。

2021年5月,国家发展改革委、住房城乡建设部发布的《“十四五”城镇生活垃圾分类和处理设施发展规划》提出,到2025年底,全国城市生活垃圾资源化利用率达到60%左右,基本满足地级及以上城市生活垃圾分类收集、分类转运、分类处理需求。

2021年7月,国家发展改革委印发《“十四五”循环经济发展规划》,提出要遵循“减量化、再利用、资源化”原则,着力建设资源循环型产业体系,全面提高资源利用效率,建立健全绿色低碳循环发展经济体系。

2021年10月,国务院印发《2030年前碳达峰行动方案》,提出重点实施“循环经济助力降碳行动”,大力推进生活垃圾减量化资源化,加强农作物秸秆综合利用和畜禽粪污资源化利用。

2021年12月,生态环境部印发《“十四五”时期“无废城市”建设工作方案》,提出大力推进减量化、资源化、无害化,发挥减污降碳协同效应,提升城市精细化管理水平,推动城市全面绿色转型。

2022年6月,七部委联合印发《减污降碳协同增效实施方案》(环综合〔2022〕42号),提出加强“无废城市”建设,加强生活垃圾减量化、资源化和无害化处理。

2022年9月,国家发展改革委、住房城乡建设部、生态环境部联合印发《污泥无害化处理和资源化利用实施方案》(发改环资〔2022〕1453号),提出要加快补齐污泥处理短板,提高污泥无害化处理和资源化利用水平。

党的二十大报告提出,要实施全面节约战略,推进各类资源节约集约利用,加快构建废弃物循环利用体系。构建废弃物循环利用体系,是实施全面节约战略的重要内涵,是深化循环经济发展的重要举措,是全面提高资源利用效率的必由之路。

02

易腐有机固废研究的热点与难点

易腐有机固废处理的基本理念是“以资源化为手段,无害化为目标”,在低能耗的基础上,将废弃的易腐有机固废最大程度地转化成生物质能、高附加值产品以及营养物质。从物质元素组成层面上,通过生物或化学手段重新组合C、H、O、N、P和S等元素,改变以上元素的分子组成,使之从低能量载体转变成高能量载体,以实现易腐有机固废的资源循环利用和降低对环境的污染。

以易腐有机固废处理处置全生命周期的视角,当前研究热点主要集中在4个方面:生物转化、热化学转化、固液分离与产物资源化。而易腐有机固废作为多介质、多组分交互的复杂体系,生物转化效率低、热化学过程调控难、固液分离能耗高、产物资源利用率低经济效益缺乏,已成为易腐有机固废处理处置技术瓶颈。究其根源,易腐有机固废物质赋存结构与性质及其对后续转化过程的影响机制尚不清晰,“污染物”潜藏资源/能源物质激活释放原理及其转化途径待进一步完善,资源物质回收方法与难降解污染物深度去除效果尚不稳定,生产过程各类产物的环境行为及其交互属性亟待进一步评估。

1. 易腐有机固废生物转化

生物转化是易腐有机固废的主流处理方式,常用方式包括厌氧消化产甲烷、好氧发酵生物稳定、氮磷物质回收或去除、其他高值产品制备等,如图2所示。

厌氧消化是从易腐有机固废中回收生物质能最常用的方式。易腐有机固废中的复杂有机物在微生物的作用下,经过水解、产酸、产氢产乙酸和产甲烷作用,最终转化为清洁能源———甲烷。这是一个将生物质能转化成化学能的过程,能量转化效率可以通过单位有机物产甲烷量来衡量。在实际的厌氧消化过程中,有机质的降解效率通常不足50%,且单位降解有机质的甲烷产率低于300mL/g VSdegraded,远低于理论甲烷产率(450~600mL/g VS)。为使得实测值尽可能接近理论值,从而获得更高的生物质能收益,相关研究热点主要集中在:1)厌氧消化前基于有机质破稳解构原理的高效预处理方法开发,如提出了基于等电点预处理的新方法,从易腐有机固废结构性质的角度,讨论了限制污泥有机质厌氧生物转化产甲烷的机制和强化产甲烷的可能方法;2)厌氧消化过程基于功能微生物强化的定向调控机制探索,例如利用微电压的引入,提高易腐有机固废厌氧消化过程电子传递效率,从而驱动电活性功能微生物更高的转化效率(如地杆菌是直接电子传递过程中最为熟知的电子供体微生物,其广泛参与了直接电子传递介导的互养产甲烷过程);3)复杂体系中以高占比为目标的甲烷气定向生产策略,如Fe3O4的引入能够充当连接丙酸氧化产乙酸菌和二氧化碳还原产甲烷菌的电子导线,使2种微生物之间建立种间直接电子传递,从而促进丙酸降解产甲烷过程,提高沼气中甲烷的纯度。

好氧发酵是易腐有机固废生物稳定化的重要途径之一。具体来讲,依靠细菌、放线菌、真菌等微生物,在一定的人工条件下,可控地促进可被生物降解的有机物向稳定的腐殖质转化的生物化学过程。工艺运行不稳定、占地面积较大、存在恶臭等二次污染等问题在工程应用中时有发生。聚焦当前的工程应用瓶颈,相关研究热点主要集中在:1)生物转化产物与环境交互作用及风险评价,例如复杂介质有机固废好氧发酵腐殖化产物,向土壤有机质转化过程的作用规律及其稳定机制值得深入探索;2)有毒有害物质的代谢机制及迁移转化规律,有研究发现好氧发酵过程中重金属形态分布会随着发酵腐殖化进程而变化,可交换态等不稳定态含量降低,结合态和残留态等稳定态含量增加,重金属钝化现象与机制的解析进一步指导了好氧发酵调理剂的研发;3)易腐有机固废高参数好氧生物稳定技术及调控,例如开发了基于堆肥利用通风量计算模型确定分段式曝气模式和通风参数的快速发酵方法,阐明了前期的小分子物质如何与中后期醌基定向聚合是生物强化定向腐殖化过程调控关键。

氮、磷是生命活动所必需的营养元素,但也会引起水体富营养化、微生物过度增殖等环境问题。易腐有机固废是氮磷的重要媒介,从中回收或去除氮、磷具有重要意义,也是易腐有机固废生物转化方向研究热点。具体体现在:1)氮磷物质的赋存形态解析与富集是实现后端高效去除或回收的首要前提,氮素按存在形态分为颗粒态和溶解态2种,按化学性质分为无机氮和有机氮2种,磷的赋存形态与易腐有机固废种类密切相关,如活性污泥中磷主要以聚磷形式存在于微生物细胞内,化学除磷污泥中90%以上的磷以Fe-P/Al-P形式存在或吸附在Fe(OH)3/Al(OH)3的表面,与有机物形成大的絮状体,焚烧灰渣中的磷主要以矿物质沉淀形式的磷酸盐存在,然而目前受检测手段限制,还无法全面、精准地识别复杂体系下氮磷的空间分布和相应的化学形态,后续研究应进一步探索其形态分析方法;2)复杂体系氮磷回收新方法与新原理,如从富蛋白质类易腐有机固废中回收对植物根系/叶面有较高传递效率的氨基酸螯合肥(由金属离子提供空轨道与氨基酸中的氧、氮等原子提供2对或2对以上的孤对电子,通过配位共价键形成环,结构稳定),或利用酸溶及厌氧发酵为主要途径的强化释磷后,进一步利用金属分离提纯实现磷的清洁回收,复杂体系下磷的原位回收技术亦是研究热点(直接形成矿物质磷沉淀后固液分离回收,或降低有害物质含量后磷素直接回收利用);3)高氨氮、低碳氮比沼液的绿色低耗脱氮处理一直是行业难题,基于厌氧氨氧化菌的自养脱氮技术成为解决该行业问题的关键技术,工艺层面需要进一步增强厌氧氨氧化菌和氨氧化细菌在系统中的停留与富集,以确保污水处理系统中有效的生物量停留,同时抑制其他微生物(特别是亚硝酸盐氧化细菌和异养菌)的生长,并通过强化手段如载体增加有效生物质的持留,目前厌氧氨氧化自养脱氮技术已经在污泥厌氧消化沼液等高氨氮废水脱氮领域实现了工程应用。然而厌氧氨氧化菌具有倍增速度慢、易受环境因素抑制的特性,并且我国缺少规模化运维经验,限制了该技术在我国的推广应用。如何提高反应器启动速度,减少微生物流失,提升脱氮负荷,减少复杂水质的抑制性影响,在国内构建厌氧氨氧化接种泥基地,是未来推动厌氧氨氧化自养脱氮工艺在我国应用亟待解决的问题。

从避免更多化石能源消耗,减少系统熵增,避免营养竞争角度出发,易腐有机固废源高值化产品制备意义重大:1)易腐有机固废合成聚羟基脂肪酸酯(PHA)研究领域重点方向将是从生物多样性角度出发,深入研究合成PHA菌群的特征及相关代谢途径,对菌群产PHA潜力的分析和模拟是有必要的,寻求具有更低成本、更高性能、更低环境影响的纯化方式是后续研究的重点方向。除此之外,从驯化富集后的混合物料中筛选PHA合成优势菌株,并在开放条件下利用水解酸化产生的VFA合成PHA,也可以作为易腐有机固废合成PHA研究的重要方向;2)需要进一步提高易腐有机固废生产中长链脂肪酸(MCCAs)原料的丰富性,建立相应分类收集和储存系统后,对每个潜在原料的利用成本和生产效能进行综合评估。多组分物料的协同消化,也可能是提高MCCAs产率的有效手段。高效预处理、高产菌株的筛选以及具有一定功能弹性的碳链延长反应微生物群落的塑造,从而提高MCCAs的产量和纯度,是实现MCCAs高效和经济生产的关键。

2. 易腐有机固废热化学转化

因具有反应时间短、设施占地面积小、有机物实现矿化或碳化,并可回收能源资源等优势,热化学转化已成为易腐有机固废的主要处理方式之一。常用的处理方式包括干化焚烧、热解碳化、热解气化、水热碳化等,其在实际工程应用中仍存在技术难点待突破:1)易腐有机固废组分复杂,热化学特性差异大,基础理论研究滞后;2)易腐有机固废能源利用效率较低,高参数技术与装备缺乏;3)易腐有机固废种氯、重金属等污染物含量高,对于二噁英等污染物仍为被动控制。基于以上瓶颈问题,易腐有机固废热化学转化过程复杂组分热化学转化机理需进一步揭示,多重污染物过程交互生成机制、主控方法及环境效益待进一步探索,能量优化提升及其资源回收新原理新方法亟待进一步开发,详见图3。

干化焚烧是最普遍的易腐有机固废热化学转化技术,是易腐有机固废高温分解和深度氧化的过程,可实现有机物矿化、污染物削减与深度减量,适合于高碳低含水有机固废。燃烧过程会产生大量大气污染物,如甲烷、挥发性有机化合物、氮/硫氧化物、氯化氢、多环芳烃、呋喃、二噁英以及有机和无机气溶胶微粒等。此外,易腐有机固废中存在的碱金属在高温燃烧过程中,会引起积灰、结渣、腐蚀等问题。高含水和高含氧量,也必然导致低位热值的降低,燃烧消耗量增加。围绕前述瓶颈,易腐有机固废干化焚烧过程的研究热点包括:1)二噁英等污染物原位阻滞机理及主动调控方法;2)热工机制的进一步阐释,可助推焚烧过程向智能化控制主动调控;3)低容量(<300t)清洁焚烧关键技术和装备开发。

热解碳化是在无氧或缺氧条件下,在反应温度400~700℃内将易腐有机固废转化为富含碳的固体残渣的过程,适合于高碳低含水有机固废。热解碳化技术是20世纪90年代在日本和欧美发展起来的污泥处理新技术,2008年以后,我国也逐步开展了相关技术研究和工程应用。国内外工程应用的结果表明,和传统的堆肥、焚烧等处理技术相比,热解碳化在能源有效利用、资源化、温室气体减排等方面表现出一定的优势,逐渐成为国际上有机固废处理的研究热点和新发展方向。以全链条处理处置视角,易腐有机固废热解碳化过程重点关注:1)热解反应器热转化效率提升;2)全流程污染物削减与自清洁;3)产物定向调控关键技术与装备;4)热解炭产物定向合成与高值资源化利用。目前易腐有机固废热解碳化技术已经在日本实现了大规模的工程应用,并建立了完善的技术标准规范体系。我国在易腐有机固废碳化技术引进吸收、工程示范等方面已经具有一定的基础,同时开展了相关产学研工作,但在关键技术装备开发和工程推广应用等方面还存在较大的发展空间,相关标准规范尚需进一步完善。

热解气化是无氧或缺氧的条件下,易腐有机固废中有机组分的大分子发生断裂,产生小分子气体和残渣的过程,适合于高碳低含水有机固废。工程实践经验表明,易腐有机固废热解气化技术减量化大于90%,较大程度上降低了土地资源占用,1100℃的高温使无害化处理更为彻底,气化过程产生的可燃气可用于前端干化,残渣则可进行建材资源化利用。同时,从原理上遏制了二噁英的生成,气化产物渣中重金属得到固化,无飞灰产生,全过程更洁净、高效。高参数热解气化技术和装备、全过程污染物削减及热解气高效清洁与利用是其重点研究方向。

水热碳化是在180~260℃和5~25MPa的条件下,将易腐有机固废转化为富含碳的固体煤状产品的过程,适合于高含水有机固废。水热炭产率为40%~80%,液相产率为5%~20%,气体产生量较小(2%~5%)。水热炭除了可用作生物燃料,由于其特殊的化学或结构特性,可根据特定的应用需求制备功能化的碳基材料。水热碳化反应过程参数调控、水热碳的高效可控合成及液相难降解有机质的处理处置是亟待重点突破的方向。

3. 易腐有机固废固液分离

水-固混合的稳定胶状絮体状态是易腐有机固废的共性特征,高含水率(质量分数>95%)是制约易腐有机固废处理处置效率的主要因素之一,有效固液分离(95%→40%)可实现易腐有机固废体积减容92%以上,提高热值15倍以上,是提升易腐有机固废资源化处理效率的首要步骤,也是焚烧、热解等热处理工艺实现能量平衡甚至回收的必要前提。然而,易腐有机固废系有机-无机高度混杂的非均相复杂体系,水-固间的各类物化键合作用使得其呈现稳定的胶状絮体状态,固液分离极度困难。现有易腐有机固废固液分离工艺常采用“脱水调理-机械压滤-热干化”的技术组合模式,普遍存在药耗高(易腐有机固废干基质量的20%~30%)、能耗高(600~800kcal/kg H2O)、效率低等问题,特别是非相变、低药耗方式降低易腐有机固废含水率至60%以下仍是易腐有机固废处理领域的长期技术瓶颈,易腐有机固废固液分离性能的影响机制及提升技术方法是相关领域长期关注的热点难点,如图4所示。

由于水分微尺度空间分布位点和水-固相互作用机制的差异,易腐有机固废中水分存在潜在的分类分型现象(微生物细胞内水、间隙水、毛细水、表面附着水、结晶水等)。不同类型水分的相对含量及其在固体中浸润分布的微尺度赋存特征是水-固相互作用影响易腐有机固废组成结构特性的直接结果,因此是表征易腐有机固废水-固相互作用强度,解析易腐有机固废持水能力影响机制的重要切入点,也是准确认知各类固液分离技术对不同来源易腐有机固废作用效能、提高易腐有机固废固液分离过程运行调控技术水平的重要理论依据。然而,由于易腐有机固废属于有机、无机组分高度混杂的非均相复杂体系,易腐有机固废水分潜在的分类分型现象缺乏直接实验证据支撑,可视化、定量化解析易腐有机固废水分赋存状态一直是瓶颈性问题。

在易腐有机固废水分赋存状态的研究基础上,相关研究重点关注了水-固相互作用机制对水分赋存状态的影响机制。根据“相似相溶”原理,易腐有机固废固体表面亲水性官能团和水分子均属于极性分子结构单元;亲水性(极性)官能团和极性水分子均由于内部电荷分布不均而存在永久偶极矩,分子热运动又使得偶极矩产生变化的电场和磁场,进而导致亲水性(极性)官能团和极性水分子之间产生非化学键作用(范德华力、氢键、卤键等);若能有效削减易腐有机固废固体表面亲水性分子结构单元与液体分子的吸引作用力,则可大幅降低易腐有机固废固-液界面亲和性能,从而实现易腐有机固废胶状絮体结构失稳,提升固液分离效率。因此,易腐有机固废水-固界面分子间相互作用对水-固亲和性能的影响机制和调控机理是突破易腐有机固废固液分离技术瓶颈的核心科学问题。已有研究系统识别了各类易腐有机固废的主要持水物质,解析了水-固界面化学组成,水-固界面分子的物化键合机理及调控方式是易腐有机固废固液分离性能影响机制研究未来重点关注的议题。

在易腐有机固废水分赋存状态及影响机制等机理研究的基础上,高效、低耗的易腐有机固废固液分离性能提升技术一直是相关领域持续追求的研究目标。已有研究开发了若干种易腐有机固废脱水调理技术,通过改变易腐有机固废固体组成的理化性质削减絮体对水分的束缚作用,改善水分赋存状态以提高易腐有机固废脱水性能。因易腐有机固废固体颗粒表面通常带负电,以铝盐、铁盐为代表的混凝剂以及以阳离子聚丙烯酰胺及其衍生物为代表的絮凝剂通过表面电性中和与吸附架桥作用促进易腐有机固废颗粒凝聚,排出颗粒间隙水并强化固体颗粒沉降分离性能,但混凝剂/絮凝剂投加量与易腐有机固废表面电性以及颗粒粒径的量化对应关系尚不明确,不同来源易腐有机固废固体表面电性、颗粒粒径、孔隙率等物理性质的最优化范围并无统一定论,同种混凝剂/絮凝剂对不同来源易腐有机固废的调理效果存在很大差异,且药剂过量投加易引起易腐有机固废干基质量增加和体积增容;此外,以Fenton、类Fenton、过硫酸盐氧化为代表的高级氧化技术通过强力裂解持水物质提升易腐有机固废脱水性能,也得到国内外研究者的广泛关注,但易腐有机固废组成极度复杂,持水性有机物的非饱和分子结构单元(双键或芳香环)和亲水性官能团(—NH2等)对非选择性的羟基自由基(·OH)存在竞争作用,导致非选择性高级氧化反应无法靶向破坏易腐有机固废固体表面亲水性结构单元,基于高级氧化的易腐有机固废脱水调理技术具有药剂消耗量高(易腐有机固废干基质量的20~50%),二次污染风险高(Fe2+、Fe3+、过硫酸根等具有一定生物毒性及腐蚀性),工艺控制复杂(要求酸性pH值)等问题;近年来,还有研究通过超声、水力空化、热水解、循环冻融等物理方式裂解微生物细胞和胶状絮体结构,通过易腐有机固废固体组成向液相的强化溶出,破坏易腐有机固废中的微生物聚集体持水能力,但上述物理调理方法定向调控易腐有机固废固体组成以及水-固微观聚集状态的理论依据尚不完善,反应过程难以精准控制,能量过度输入反而会恶化易腐有机固废脱水性能。非相变、低药耗方式降低易腐有机固废含水率至60%以下,仍是未来应重点关注的研究目标。

03

结论

1)有机固废量大面广,具有易腐败、高含水的特性,具有污染与资源双重属性,有机固废资源化是我国减污降碳和无废城市建设的重要任务,是绿色低碳循环发展的重要抓手。

2)污泥等有机固废具有多介质、多组分的复杂特性,传统处理处置技术转化效率低、资源化利用不足。未来需要重点突破多介质复杂体系下的交互作用机制的识别及多介质反应动力学的定向调控机理,形成新原理、新方法。

3)双碳背景下,有机固废处理处置与资源化要打破传统思维,从全生命周期角度秉持“绿色、低碳、循环”理念,实现有机固废技术的创新突破,实现从“有机固废大国”向“有机固废强国”的转变。

关于期刊

《环境工程》创刊于1982年,是国内外公开发行的国家级环境科学类期刊,由中冶建筑研究总院有限公司主办、工业建筑杂志社有限公司出版发行。本刊主编由中国工程院院士、美国国家工程院外籍院士、中国科学院生态环境研究中心研究员、清华大学教授曲久辉担任。报导内容涵盖水污染防治、大气污染控制、有机固废生物处理与资源化、过程工程环境污染控制与资源化、环境生态工程、海绵城市建设规划与实践、碳减排技术路径研究与实践等。本刊已入选北大中文核心期刊要目总览、中国科学引文数据库(CSCD)来源期刊(核心库)、RCCSE中国核心学术期刊、ISTIC中国科技核心期刊、环境科学领域高质量科技期刊分级目录T2级、世界期刊影响力指数(WJCI)报告等。在科学技术迅猛发展和全球变化的大背景下,《环境工程》既要关注解决环境治理工程难题的最新科技进展,也必须突破以末端治理为主要目标的学科局限,深刻认识制约我国社会经济发展的重大环境工程问题,深入思考环境工程科技发展的未来与方向,深度融合相关学科的科技成果,报导更有学术高度和应用价值的综合性成果。

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