技術(shù)前沿：基于等電點(diǎn)預(yù)處理的新型污泥厭氧消化技術(shù)

我國(guó)污水廠(chǎng)污泥產(chǎn)量巨大，處理處置形勢(shì)嚴(yán)峻，實(shí)現(xiàn)污泥的資源化、能源化利用既是國(guó)家重大需求，也是“雙碳”目標(biāo)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(xiàn)污泥資源化、能源化的主流技術(shù)。但污泥泥質(zhì)復(fù)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(yīng)周期長(zhǎng)（>20天），是本領(lǐng)域面臨的瓶頸問(wèn)題。為此，本團(tuán)隊(duì)基于污泥具有多介質(zhì)、多組分的半剛性結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了利用等電點(diǎn)瓦解污泥結(jié)構(gòu)強(qiáng)化厭氧消化過(guò)程中污泥固-液界面非生物驅(qū)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(yù)處理的新型污泥厭氧消化技術(shù)，甲烷產(chǎn)率提升80%~150%（達(dá)到理論值的70%），甲烷在沼氣中比例達(dá)80%以上，反應(yīng)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(tǒng)污泥厭氧消化技術(shù)相比，本技術(shù)可使年經(jīng)濟(jì)效益增加162%，減少約2.63 × 107kg CO2/年的碳排放量，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益。

1 技術(shù)背景

隨著活性污泥法在城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)的普及應(yīng)用，我國(guó)污水廠(chǎng)污泥產(chǎn)量與日俱增。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，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(jì)），污泥中含有大量易腐有機(jī)質(zhì)、重金屬、病原微生物等，若不妥善處理，將嚴(yán)重威脅環(huán)境，污泥處理處置形勢(shì)日益嚴(yán)峻。污泥具有“污染”和“資源”雙重屬性，隨著現(xiàn)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(zhuǎn)變，富含有機(jī)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(duì)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(rèn)為是現(xiàn)代污水處理廠(chǎng)的重要組成部分。實(shí)現(xiàn)污泥中物質(zhì)與能量的高效轉(zhuǎn)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(shì)

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

• 回收污泥中無(wú)機(jī)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）

• 顯著提高甲烷產(chǎn)率，與傳統(tǒng)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(dá)80%以上

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

• 顯著降低污泥厭氧消化后殘?jiān)械闹亟饘俸?，減少約50%以上

圖5 基于等電點(diǎn)預(yù)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(yīng)用前景

基于等電點(diǎn)預(yù)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(shè)備均為日常所見(jiàn)，在回收無(wú)機(jī)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(zhǔn)確評(píng)估本技術(shù)的應(yīng)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(jì)算。由于一次性投入的基建費(fèi)、設(shè)備運(yùn)行費(fèi)和人員投入費(fèi)等會(huì)因不同地區(qū)或不同污水處理廠(chǎng)現(xiàn)狀的不同而存在較大差異，因此，在本次計(jì)算中暫不考慮。計(jì)算條件與結(jié)果如表1所示。與傳統(tǒng)污泥厭氧消化技術(shù)相比，本技術(shù)年經(jīng)濟(jì)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(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益。

表1 新型和傳統(tǒng)污泥厭氧消化的基本評(píng)估分析

同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院戴曉虎教授團(tuán)隊(duì)