有機(jī)固廢資源化是我國減污降碳和無廢城市建設(shè)的重要任務(wù)，是綠色低碳循環(huán)發(fā)展的重要抓手。綜述了我國不同來源有機(jī)固廢的產(chǎn)量與處理現(xiàn)狀，梳理了我國無廢城市、減污降碳等有機(jī)固廢相關(guān)政策文件?；谟袡C(jī)固廢易腐敗、高含水的特性，以及污染和資源雙重屬性，提出了以無害化為目標(biāo)、以資源化為手段的基本理念?？偨Y(jié)分析了有機(jī)固廢作為多介質(zhì)、多組分交互的復(fù)雜體系，在生物轉(zhuǎn)化、熱化學(xué)轉(zhuǎn)化、固液分離、產(chǎn)物資源利用方面的研究進(jìn)展和技術(shù)難點(diǎn)，并提出了有機(jī)固廢未來重點(diǎn)突破方向，旨在為我國有機(jī)固廢資源化處理處置的技術(shù)研究提供參考。
01
研究背景
人類生產(chǎn)生活會消耗大量的資源，同時產(chǎn)生大量的廢棄物。中國有機(jī)廢棄物包含廚余垃圾、餐廚垃圾、城市污泥等生活源，農(nóng)業(yè)秸稈、畜禽糞污等農(nóng)業(yè)源和菌渣、酒糟等工業(yè)源廢棄物，產(chǎn)量大，涉及面廣，總量超過40億t，位居全球首位。有機(jī)固廢具有污染物和資源的雙重屬性，如不妥善處理和利用，將會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)。有機(jī)廢棄物的資源化處理處置是我國減污降碳和無廢城市建設(shè)的重要任務(wù)。
我國有機(jī)固廢傳統(tǒng)上以填埋處置方式為主，資源化利用率較低。近年來，國家陸續(xù)提出了無廢城市、垃圾分類和循環(huán)經(jīng)濟(jì)等系列行動計劃，對有機(jī)固廢資源化提出了明確的要求。在氣候變化和資源短缺的背景下，固體廢物資源化利用成為綠色發(fā)展和循環(huán)發(fā)展的重要切入點(diǎn)和抓手。有機(jī)固廢易腐敗、高含水、污染與資源并存的屬性決定了其穩(wěn)定化、減量化、無害化和資源化處理處置的基本原則。但由于有機(jī)固廢具有多介質(zhì)、多組分的復(fù)雜特性，傳統(tǒng)處理過程存在生物轉(zhuǎn)化效率低、固液分離能耗藥耗高、熱化學(xué)過程調(diào)控難的瓶頸問題，限制了有機(jī)固廢資源轉(zhuǎn)化的技術(shù)水平。故亟需對有機(jī)固廢關(guān)鍵物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)進(jìn)行識別，解析“污染物”潛藏資/能源物質(zhì)激活原理與轉(zhuǎn)化途徑，開發(fā)資源物質(zhì)回收與難降解污染物的穩(wěn)定去除的方法，創(chuàng)新有機(jī)固廢資源化處理處置技術(shù)和協(xié)同模式，實(shí)現(xiàn)從“有機(jī)固廢大國”向“有機(jī)固廢強(qiáng)國”的轉(zhuǎn)變。
本文圍繞我國有機(jī)固廢資源化的技術(shù)需求,綜述了我國有機(jī)固廢產(chǎn)生與處理現(xiàn)狀,分析了有機(jī)固廢特性和處理技術(shù)需求,總結(jié)了有機(jī)固廢生物處理、熱化學(xué)處理、固液分離、資源回收等技術(shù)的研究進(jìn)展和難點(diǎn),提出了有機(jī)固廢未來技術(shù)突破方向,以期為我國無廢城市建設(shè)和雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供科技支撐。
02
摘要
有機(jī)固廢資源化是我國減污降碳和無廢城市建設(shè)的重要任務(wù)，是綠色低碳循環(huán)發(fā)展的重要抓手。綜述了我國不同來源有機(jī)固廢的產(chǎn)量與處理現(xiàn)狀，梳理了我國無廢城市、減污降碳等有機(jī)固廢相關(guān)政策文件?；谟袡C(jī)固廢易腐敗、高含水的特性，以及污染和資源雙重屬性，提出了以無害化為目標(biāo)、以資源化為手段的基本理念?？偨Y(jié)分析了有機(jī)固廢作為多介質(zhì)、多組分交互的復(fù)雜體系，在生物轉(zhuǎn)化、熱化學(xué)轉(zhuǎn)化、固液分離、產(chǎn)物資源利用方面的研究進(jìn)展和技術(shù)難點(diǎn)，并提出了有機(jī)固廢未來重點(diǎn)突破方向，旨在為我國有機(jī)固廢資源化處理處置的技術(shù)研究提供參考。
03
我國有機(jī)固廢產(chǎn)生與利用現(xiàn)狀
1. 產(chǎn)生與處理處置現(xiàn)狀
近年來，我國城鄉(xiāng)有機(jī)固體廢棄物(廚余垃圾、城市污泥、農(nóng)作物秸稈、畜禽糞便等)的產(chǎn)生量迅速增長。根據(jù)中國城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計年鑒，2021年我國縣級以上城鎮(zhèn)地區(qū)污泥產(chǎn)量超過8000萬t(以80%含水率計)，預(yù)計2025年我國城鎮(zhèn)污泥產(chǎn)量將突破1億t。2021年我國縣級以上城鎮(zhèn)地區(qū)生活垃圾清運(yùn)量達(dá)到3.2億t。詳見圖1。按照廚余垃圾占比40%估算，我國廚余垃圾(含餐廚垃圾)年產(chǎn)生量約為1.28億t。根據(jù)第二次全國污染源普查測算，2020年我國畜禽糞污年產(chǎn)量30.5億t，秸稈產(chǎn)生量約為8億t。我國有機(jī)固廢年產(chǎn)總量超過40億t。
我國城鎮(zhèn)生活垃圾早期以混合填埋為主，隨著垃圾填埋設(shè)施逐漸趨于相對飽和，垃圾焚燒設(shè)施建設(shè)進(jìn)入高峰期，垃圾焚燒處理能力逐年增加。目前，城市生活垃圾焚燒處理量占比約62%，衛(wèi)生填埋占比約33%，已形成以焚燒為主的生活垃圾處理格局?？h城生活垃圾衛(wèi)生填埋處理量占比為72%，仍是當(dāng)前生活垃圾最主要的處理方式。隨著國家垃圾分類政策的不斷推進(jìn)，目前46個重點(diǎn)城市基本建成生活垃圾分類系統(tǒng)。以上海市為例，2021年濕垃圾產(chǎn)量平均已經(jīng)超過1萬t/d，占干濕垃圾總量40%左右。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，國內(nèi)已建和在建廚余垃圾處理設(shè)施中，厭氧消化工藝約占處理總量的87.5%，其余工藝僅占12.5%。
我國污泥處理處置起步較晚，早期存在“重水輕泥”現(xiàn)象，投資嚴(yán)重不足，大部分污泥以簡易填埋為主，沒有得到妥善處理處置。隨著國家對污泥問題的重視和配套科技投入的不斷加大，建設(shè)了一批示范工程，污泥穩(wěn)定化處理和焚燒比例有所增加，基本形成4條污泥安全處理處置與資源化利用主流技術(shù)路線。但目前我國只有不到5%的污水處理廠采用了污泥厭氧消化，遠(yuǎn)低于歐洲、美國和新加坡等國家。由于我國大部分污泥沒有經(jīng)過穩(wěn)定化處理，同時污泥土地利用受跨部門限制，導(dǎo)致污泥土地利用比例遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家70%的水平。
《第二次全國污染源普查公報》顯示：2017年國內(nèi)畜禽養(yǎng)殖業(yè)水污染物排放的化學(xué)需氧量達(dá)1000.53萬t，占農(nóng)業(yè)源排放總量的94%，總氮和總磷排放量分別占42%和56%，是農(nóng)業(yè)面源污染的主要來源。據(jù)估算，2016年全國每年產(chǎn)生畜禽糞污38億t，綜合利用率不到60%；每年生豬病死淘汰量約6000萬頭，集中的專業(yè)無害化處理比例不高；每年產(chǎn)生秸稈近9億t，其中未利用的約2億t，綜合利用率不足80%。農(nóng)業(yè)廢棄物量大面廣、亂堆亂放、隨意焚燒，嚴(yán)重威脅城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境。
2. 處理處置技術(shù)需求與瓶頸
有機(jī)固廢具有易腐敗、高含水的特性，具有污染和資源的雙重屬性，故穩(wěn)定化、減量化、無害化和資源化是有機(jī)固廢處理處置的基本原則。城鄉(xiāng)有機(jī)廢棄物量大面廣，其資源化處理處置是我國減污降碳和無廢城市建設(shè)的重要任務(wù)。
有機(jī)固廢的處理處置同時也是不可忽視的碳減排抓手。歐洲統(tǒng)計局(Eurostat)2016年數(shù)據(jù)顯示，廢棄物領(lǐng)域是第5大碳排放行業(yè)，碳排放量占全社會總量的3.2%。從溫室氣體類型來看，甲烷是全球第2大的溫室氣體，對溫室效應(yīng)的影響占比達(dá)到17.3%，其中廢棄物是甲烷的第3大排放源，26%的甲烷排放來自于廢棄物。雖然廢棄物領(lǐng)域碳排放量占全社會比例不大，但涉及環(huán)境和民生問題，對于我國是深入打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的重要抓手，社會效益顯著。同時有機(jī)廢棄物蘊(yùn)含了大量的資源和能源，通過對廢棄物資源化潛力的挖掘，是最有望實(shí)現(xiàn)碳中和的領(lǐng)域之一。此外，廢棄物領(lǐng)域甲烷占全社會排放量比例較大，而實(shí)現(xiàn)CH4等逸散性溫室氣體的減排，是在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)減少全球變暖和控制全球升溫幅度在1.5℃以內(nèi)目標(biāo)的重要途徑。
有機(jī)固廢含有大量易腐有機(jī)質(zhì)和病原菌，如不進(jìn)行穩(wěn)定化處理，容易腐敗發(fā)臭，傳播病原菌，并排放大量溫室氣體。厭氧消化是實(shí)現(xiàn)有機(jī)固廢穩(wěn)定化處理最經(jīng)濟(jì)有效的方式，同時還可以回收沼氣能源。然而污泥等有機(jī)固廢具有多介質(zhì)、多組分交互作用的復(fù)雜特性，特別是我國污泥有機(jī)質(zhì)低(我國污泥有機(jī)質(zhì)含量為30%～60%，發(fā)達(dá)國家污泥有機(jī)質(zhì)含量為60%～80%)、含砂量高，采用傳統(tǒng)厭氧消化工藝存在降解率低、停留時間長、有機(jī)負(fù)荷低的瓶頸。和廢水厭氧處理相比，有機(jī)固廢厭氧轉(zhuǎn)化整體效率較低，停留時間較長，通常需要維持在20d以上。實(shí)現(xiàn)易腐有機(jī)質(zhì)的高效穩(wěn)定化和生物質(zhì)能的高效回收是有機(jī)固廢厭氧處理的難點(diǎn)。
污泥等易腐有機(jī)固廢具有高含水的特性，大量水分會導(dǎo)致其運(yùn)輸成本高，是制約易腐有機(jī)固廢處理處置效率的主要因素之一。但由于污泥是有機(jī)—無機(jī)—水分高度混雜的非均相復(fù)雜體系，有機(jī)組分親水性較強(qiáng)，導(dǎo)致傳統(tǒng)脫水方式固液分離困難。而傳統(tǒng)水處理領(lǐng)域中的混凝/絮凝理論對于高固體濃度的污泥體系并不適用，尚缺乏污泥專用的調(diào)理方法。傳統(tǒng)機(jī)械脫水存在脫水難度大、加藥量大的瓶頸問題，傳統(tǒng)熱干化能耗高，不可持續(xù)。實(shí)現(xiàn)固液高效分離是污泥等高含水有機(jī)固廢資源化處理處置的技術(shù)難點(diǎn)。
固體廢物是放錯位置的資源，固廢資源化利用是循環(huán)經(jīng)濟(jì)的典型內(nèi)涵。有機(jī)固廢富含碳、氮、磷資源物質(zhì)，其中磷作為重要的戰(zhàn)略性資源，其回收對于解決全球磷危機(jī)具有重要意義。以污水廠污泥為例，污水中90%以上的磷資源富集在污泥中。德國于2017年10月3日通過了對《污水污泥條例》的修訂，其核心內(nèi)容是要求從污水污泥或其焚燒灰中回收磷，其難點(diǎn)在于污泥中磷的形態(tài)復(fù)雜、釋放效率低、回收難度大。有機(jī)固廢厭氧會產(chǎn)生大量的高氨氮沼液，傳統(tǒng)脫氮工藝流程長，藥劑投加量大，處理能耗高。功能性微生物的富集、調(diào)控與規(guī)模化培育是實(shí)現(xiàn)高效脫氮的難點(diǎn)。
產(chǎn)物出路不暢通是有機(jī)固廢處理的瓶頸問題之一。以污泥為例，污泥處置的方式主要有填埋、建材利用和土地利用。目前，脫水填埋依然是我國污泥的主要處置方式，但污泥填埋會占用大量土地，并釋放大量溫室氣體，且我國部分經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)城市面臨無地可埋的困局。建材利用需要對污泥進(jìn)行干化焚燒或協(xié)同焚燒處理，以實(shí)現(xiàn)污泥的礦化和無害化。由于污泥含水率較高，有機(jī)質(zhì)含量低，熱值不高，導(dǎo)致焚燒存在投資運(yùn)行成本高，尾氣排放難以穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，鄰避效應(yīng)突出等問題。土地利用是污泥生態(tài)化處置的重要消納路徑，是發(fā)達(dá)國家最重要的處置方式，但受限于意識、標(biāo)準(zhǔn)銜接、處理水平等方面，我國污泥土地利用比例目前還較低。
3. 相關(guān)政策分析
發(fā)達(dá)國家和地區(qū)紛紛提出了無廢社會的目標(biāo)。歐盟委員會2014年提出了“邁向循環(huán)經(jīng)濟(jì)：歐洲零廢物計劃”，2019年發(fā)布《歐洲綠色新政》，明確提出在2050年資源與經(jīng)濟(jì)要脫鉤，實(shí)現(xiàn)零廢棄物的目標(biāo)；新加坡提出了“零廢物”的國家愿景；日本提出建設(shè)“循環(huán)型社會”；我國臺灣地區(qū)提出構(gòu)建“零廢棄社會”的目標(biāo)。從發(fā)達(dá)國家和地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)來看，固體廢物資源化利用是綠色發(fā)展和循環(huán)發(fā)展的重要切入點(diǎn)和抓手。建設(shè)“無廢社會”是經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作，是解決新時期社會主要矛盾的重要舉措，生態(tài)文明建設(shè)的內(nèi)在要求，實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的有力抓手。
近年來，隨著我國對環(huán)境問題的重視，陸續(xù)發(fā)布了一些列涉及有機(jī)固廢資源化相關(guān)的指導(dǎo)文件，對于我國無廢城市建設(shè)、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)具有重要的指導(dǎo)意義。
2018年12月，國務(wù)院辦公廳印發(fā)《“無廢城市”建設(shè)試點(diǎn)工作方案》(國辦發(fā)〔2018〕128號)，提出通過“無廢城市”建設(shè)試點(diǎn)，大力推進(jìn)源頭減量、資源化利用和無害化處置，探索建立量化指標(biāo)體系，形成可復(fù)制、可推廣的建設(shè)模式。
2021年5月，國家發(fā)展改革委、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的《“十四五”城鎮(zhèn)生活垃圾分類和處理設(shè)施發(fā)展規(guī)劃》提出，到2025年底，全國城市生活垃圾資源化利用率達(dá)到60%左右，基本滿足地級及以上城市生活垃圾分類收集、分類轉(zhuǎn)運(yùn)、分類處理需求。
2021年7月，國家發(fā)展改革委印發(fā)《“十四五”循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》，提出要遵循“減量化、再利用、資源化”原則，著力建設(shè)資源循環(huán)型產(chǎn)業(yè)體系，全面提高資源利用效率，建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟(jì)體系。
2021年10月，國務(wù)院印發(fā)《2030年前碳達(dá)峰行動方案》，提出重點(diǎn)實(shí)施“循環(huán)經(jīng)濟(jì)助力降碳行動”，大力推進(jìn)生活垃圾減量化資源化，加強(qiáng)農(nóng)作物秸稈綜合利用和畜禽糞污資源化利用。
2021年12月，生態(tài)環(huán)境部印發(fā)《“十四五”時期“無廢城市”建設(shè)工作方案》，提出大力推進(jìn)減量化、資源化、無害化，發(fā)揮減污降碳協(xié)同效應(yīng)，提升城市精細(xì)化管理水平，推動城市全面綠色轉(zhuǎn)型。
2022年6月，七部委聯(lián)合印發(fā)《減污降碳協(xié)同增效實(shí)施方案》(環(huán)綜合〔2022〕42號)，提出加強(qiáng)“無廢城市”建設(shè)，加強(qiáng)生活垃圾減量化、資源化和無害化處理。
2022年9月，國家發(fā)展改革委、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部、生態(tài)環(huán)境部聯(lián)合印發(fā)《污泥無害化處理和資源化利用實(shí)施方案》(發(fā)改環(huán)資〔2022〕1453號)，提出要加快補(bǔ)齊污泥處理短板，提高污泥無害化處理和資源化利用水平。
黨的二十大報告提出，要實(shí)施全面節(jié)約戰(zhàn)略，推進(jìn)各類資源節(jié)約集約利用，加快構(gòu)建廢棄物循環(huán)利用體系。構(gòu)建廢棄物循環(huán)利用體系，是實(shí)施全面節(jié)約戰(zhàn)略的重要內(nèi)涵，是深化循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要舉措，是全面提高資源利用效率的必由之路。
04
易腐有機(jī)固廢研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)
易腐有機(jī)固廢處理的基本理念是“以資源化為手段，無害化為目標(biāo)”，在低能耗的基礎(chǔ)上，將廢棄的易腐有機(jī)固廢最大程度地轉(zhuǎn)化成生物質(zhì)能、高附加值產(chǎn)品以及營養(yǎng)物質(zhì)。從物質(zhì)元素組成層面上，通過生物或化學(xué)手段重新組合C、H、O、N、P和S等元素，改變以上元素的分子組成，使之從低能量載體轉(zhuǎn)變成高能量載體，以實(shí)現(xiàn)易腐有機(jī)固廢的資源循環(huán)利用和降低對環(huán)境的污染。
以易腐有機(jī)固廢處理處置全生命周期的視角，當(dāng)前研究熱點(diǎn)主要集中在4個方面：生物轉(zhuǎn)化、熱化學(xué)轉(zhuǎn)化、固液分離與產(chǎn)物資源化。而易腐有機(jī)固廢作為多介質(zhì)、多組分交互的復(fù)雜體系，生物轉(zhuǎn)化效率低、熱化學(xué)過程調(diào)控難、固液分離能耗高、產(chǎn)物資源利用率低經(jīng)濟(jì)效益缺乏，已成為易腐有機(jī)固廢處理處置技術(shù)瓶頸。究其根源，易腐有機(jī)固廢物質(zhì)賦存結(jié)構(gòu)與性質(zhì)及其對后續(xù)轉(zhuǎn)化過程的影響機(jī)制尚不清晰，“污染物”潛藏資源/能源物質(zhì)激活釋放原理及其轉(zhuǎn)化途徑待進(jìn)一步完善，資源物質(zhì)回收方法與難降解污染物深度去除效果尚不穩(wěn)定，生產(chǎn)過程各類產(chǎn)物的環(huán)境行為及其交互屬性亟待進(jìn)一步評估。
1. 易腐有機(jī)固廢生物轉(zhuǎn)化
生物轉(zhuǎn)化是易腐有機(jī)固廢的主流處理方式，常用方式包括厭氧消化產(chǎn)甲烷、好氧發(fā)酵生物穩(wěn)定、氮磷物質(zhì)回收或去除、其他高值產(chǎn)品制備等，如圖2所示。
厭氧消化是從易腐有機(jī)固廢中回收生物質(zhì)能最常用的方式。易腐有機(jī)固廢中的復(fù)雜有機(jī)物在微生物的作用下，經(jīng)過水解、產(chǎn)酸、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷作用，最終轉(zhuǎn)化為清潔能源———甲烷。這是一個將生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能的過程，能量轉(zhuǎn)化效率可以通過單位有機(jī)物產(chǎn)甲烷量來衡量。在實(shí)際的厭氧消化過程中，有機(jī)質(zhì)的降解效率通常不足50%，且單位降解有機(jī)質(zhì)的甲烷產(chǎn)率低于300mL/g VSdegraded，遠(yuǎn)低于理論甲烷產(chǎn)率(450～600mL/g VS)。為使得實(shí)測值盡可能接近理論值，從而獲得更高的生物質(zhì)能收益，相關(guān)研究熱點(diǎn)主要集中在：1)厭氧消化前基于有機(jī)質(zhì)破穩(wěn)解構(gòu)原理的高效預(yù)處理方法開發(fā)，如提出了基于等電點(diǎn)預(yù)處理的新方法，從易腐有機(jī)固廢結(jié)構(gòu)性質(zhì)的角度，討論了限制污泥有機(jī)質(zhì)厭氧生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)甲烷的機(jī)制和強(qiáng)化產(chǎn)甲烷的可能方法；2)厭氧消化過程基于功能微生物強(qiáng)化的定向調(diào)控機(jī)制探索，例如利用微電壓的引入，提高易腐有機(jī)固廢厭氧消化過程電子傳遞效率，從而驅(qū)動電活性功能微生物更高的轉(zhuǎn)化效率(如地桿菌是直接電子傳遞過程中最為熟知的電子供體微生物，其廣泛參與了直接電子傳遞介導(dǎo)的互養(yǎng)產(chǎn)甲烷過程)；3)復(fù)雜體系中以高占比為目標(biāo)的甲烷氣定向生產(chǎn)策略，如Fe3O4的引入能夠充當(dāng)連接丙酸氧化產(chǎn)乙酸菌和二氧化碳還原產(chǎn)甲烷菌的電子導(dǎo)線，使2種微生物之間建立種間直接電子傳遞，從而促進(jìn)丙酸降解產(chǎn)甲烷過程，提高沼氣中甲烷的純度。
好氧發(fā)酵是易腐有機(jī)固廢生物穩(wěn)定化的重要途徑之一。具體來講，依靠細(xì)菌、放線菌、真菌等微生物，在一定的人工條件下，可控地促進(jìn)可被生物降解的有機(jī)物向穩(wěn)定的腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)化的生物化學(xué)過程。工藝運(yùn)行不穩(wěn)定、占地面積較大、存在惡臭等二次污染等問題在工程應(yīng)用中時有發(fā)生。聚焦當(dāng)前的工程應(yīng)用瓶頸，相關(guān)研究熱點(diǎn)主要集中在：1)生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)物與環(huán)境交互作用及風(fēng)險評價，例如復(fù)雜介質(zhì)有機(jī)固廢好氧發(fā)酵腐殖化產(chǎn)物，向土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化過程的作用規(guī)律及其穩(wěn)定機(jī)制值得深入探索；2)有毒有害物質(zhì)的代謝機(jī)制及遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，有研究發(fā)現(xiàn)好氧發(fā)酵過程中重金屬形態(tài)分布會隨著發(fā)酵腐殖化進(jìn)程而變化，可交換態(tài)等不穩(wěn)定態(tài)含量降低，結(jié)合態(tài)和殘留態(tài)等穩(wěn)定態(tài)含量增加，重金屬鈍化現(xiàn)象與機(jī)制的解析進(jìn)一步指導(dǎo)了好氧發(fā)酵調(diào)理劑的研發(fā)；3)易腐有機(jī)固廢高參數(shù)好氧生物穩(wěn)定技術(shù)及調(diào)控，例如開發(fā)了基于堆肥利用通風(fēng)量計算模型確定分段式曝氣模式和通風(fēng)參數(shù)的快速發(fā)酵方法，闡明了前期的小分子物質(zhì)如何與中后期醌基定向聚合是生物強(qiáng)化定向腐殖化過程調(diào)控關(guān)鍵。
氮、磷是生命活動所必需的營養(yǎng)元素，但也會引起水體富營養(yǎng)化、微生物過度增殖等環(huán)境問題。易腐有機(jī)固廢是氮磷的重要媒介，從中回收或去除氮、磷具有重要意義，也是易腐有機(jī)固廢生物轉(zhuǎn)化方向研究熱點(diǎn)。具體體現(xiàn)在：1)氮磷物質(zhì)的賦存形態(tài)解析與富集是實(shí)現(xiàn)后端高效去除或回收的首要前提，氮素按存在形態(tài)分為顆粒態(tài)和溶解態(tài)2種，按化學(xué)性質(zhì)分為無機(jī)氮和有機(jī)氮2種，磷的賦存形態(tài)與易腐有機(jī)固廢種類密切相關(guān)，如活性污泥中磷主要以聚磷形式存在于微生物細(xì)胞內(nèi)，化學(xué)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，與有機(jī)物形成大的絮狀體，焚燒灰渣中的磷主要以礦物質(zhì)沉淀形式的磷酸鹽存在，然而目前受檢測手段限制，還無法全面、精準(zhǔn)地識別復(fù)雜體系下氮磷的空間分布和相應(yīng)的化學(xué)形態(tài)，后續(xù)研究應(yīng)進(jìn)一步探索其形態(tài)分析方法；2)復(fù)雜體系氮磷回收新方法與新原理，如從富蛋白質(zhì)類易腐有機(jī)固廢中回收對植物根系/葉面有較高傳遞效率的氨基酸螯合肥(由金屬離子提供空軌道與氨基酸中的氧、氮等原子提供2對或2對以上的孤對電子，通過配位共價鍵形成環(huán)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定)，或利用酸溶及厭氧發(fā)酵為主要途徑的強(qiáng)化釋磷后，進(jìn)一步利用金屬分離提純實(shí)現(xiàn)磷的清潔回收，復(fù)雜體系下磷的原位回收技術(shù)亦是研究熱點(diǎn)(直接形成礦物質(zhì)磷沉淀后固液分離回收，或降低有害物質(zhì)含量后磷素直接回收利用)；3)高氨氮、低碳氮比沼液的綠色低耗脫氮處理一直是行業(yè)難題，基于厭氧氨氧化菌的自養(yǎng)脫氮技術(shù)成為解決該行業(yè)問題的關(guān)鍵技術(shù)，工藝層面需要進(jìn)一步增強(qiáng)厭氧氨氧化菌和氨氧化細(xì)菌在系統(tǒng)中的停留與富集，以確保污水處理系統(tǒng)中有效的生物量停留，同時抑制其他微生物(特別是亞硝酸鹽氧化細(xì)菌和異養(yǎng)菌)的生長，并通過強(qiáng)化手段如載體增加有效生物質(zhì)的持留，目前厭氧氨氧化自養(yǎng)脫氮技術(shù)已經(jīng)在污泥厭氧消化沼液等高氨氮廢水脫氮領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了工程應(yīng)用。然而厭氧氨氧化菌具有倍增速度慢、易受環(huán)境因素抑制的特性，并且我國缺少規(guī)?；\(yùn)維經(jīng)驗(yàn)，限制了該技術(shù)在我國的推廣應(yīng)用。如何提高反應(yīng)器啟動速度，減少微生物流失，提升脫氮負(fù)荷，減少復(fù)雜水質(zhì)的抑制性影響，在國內(nèi)構(gòu)建厭氧氨氧化接種泥基地，是未來推動厭氧氨氧化自養(yǎng)脫氮工藝在我國應(yīng)用亟待解決的問題。
從避免更多化石能源消耗，減少系統(tǒng)熵增，避免營養(yǎng)競爭角度出發(fā)，易腐有機(jī)固廢源高值化產(chǎn)品制備意義重大：
1)易腐有機(jī)固廢合成聚羥基脂肪酸酯(PHA)研究領(lǐng)域重點(diǎn)方向?qū)⑹菑纳锒鄻有越嵌瘸霭l(fā)，深入研究合成PHA菌群的特征及相關(guān)代謝途徑，對菌群產(chǎn)PHA潛力的分析和模擬是有必要的，尋求具有更低成本、更高性能、更低環(huán)境影響的純化方式是后續(xù)研究的重點(diǎn)方向。除此之外，從馴化富集后的混合物料中篩選PHA合成優(yōu)勢菌株，并在開放條件下利用水解酸化產(chǎn)生的VFA合成PHA，也可以作為易腐有機(jī)固廢合成PHA研究的重要方向；
2)需要進(jìn)一步提高易腐有機(jī)固廢生產(chǎn)中長鏈脂肪酸(MCCAs)原料的豐富性，建立相應(yīng)分類收集和儲存系統(tǒng)后，對每個潛在原料的利用成本和生產(chǎn)效能進(jìn)行綜合評估。多組分物料的協(xié)同消化，也可能是提高M(jìn)CCAs產(chǎn)率的有效手段。高效預(yù)處理、高產(chǎn)菌株的篩選以及具有一定功能彈性的碳鏈延長反應(yīng)微生物群落的塑造，從而提高M(jìn)CCAs的產(chǎn)量和純度，是實(shí)現(xiàn)MCCAs高效和經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)的關(guān)鍵。
2. 易腐有機(jī)固廢熱化學(xué)轉(zhuǎn)化
因具有反應(yīng)時間短、設(shè)施占地面積小、有機(jī)物實(shí)現(xiàn)礦化或碳化，并可回收能源資源等優(yōu)勢，熱化學(xué)轉(zhuǎn)化已成為易腐有機(jī)固廢的主要處理方式之一。常用的處理方式包括干化焚燒、熱解碳化、熱解氣化、水熱碳化等，其在實(shí)際工程應(yīng)用中仍存在技術(shù)難點(diǎn)待突破：1)易腐有機(jī)固廢組分復(fù)雜，熱化學(xué)特性差異大，基礎(chǔ)理論研究滯后；2)易腐有機(jī)固廢能源利用效率較低，高參數(shù)技術(shù)與裝備缺乏；3)易腐有機(jī)固廢種氯、重金屬等污染物含量高，對于二噁英等污染物仍為被動控制?；谝陨掀款i問題，易腐有機(jī)固廢熱化學(xué)轉(zhuǎn)化過程復(fù)雜組分熱化學(xué)轉(zhuǎn)化機(jī)理需進(jìn)一步揭示，多重污染物過程交互生成機(jī)制、主控方法及環(huán)境效益待進(jìn)一步探索，能量優(yōu)化提升及其資源回收新原理新方法亟待進(jìn)一步開發(fā)，詳見圖3。
干化焚燒是最普遍的易腐有機(jī)固廢熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)，是易腐有機(jī)固廢高溫分解和深度氧化的過程，可實(shí)現(xiàn)有機(jī)物礦化、污染物削減與深度減量，適合于高碳低含水有機(jī)固廢。燃燒過程會產(chǎn)生大量大氣污染物，如甲烷、揮發(fā)性有機(jī)化合物、氮/硫氧化物、氯化氫、多環(huán)芳烴、呋喃、二噁英以及有機(jī)和無機(jī)氣溶膠微粒等。此外，易腐有機(jī)固廢中存在的堿金屬在高溫燃燒過程中，會引起積灰、結(jié)渣、腐蝕等問題。高含水和高含氧量，也必然導(dǎo)致低位熱值的降低，燃燒消耗量增加。圍繞前述瓶頸，易腐有機(jī)固廢干化焚燒過程的研究熱點(diǎn)包括：1)二噁英等污染物原位阻滯機(jī)理及主動調(diào)控方法；2)熱工機(jī)制的進(jìn)一步闡釋，可助推焚燒過程向智能化控制主動調(diào)控；3)低容量(＜300t)清潔焚燒關(guān)鍵技術(shù)和裝備開發(fā)。
熱解碳化是在無氧或缺氧條件下，在反應(yīng)溫度400～700℃內(nèi)將易腐有機(jī)固廢轉(zhuǎn)化為富含碳的固體殘?jiān)倪^程，適合于高碳低含水有機(jī)固廢。熱解碳化技術(shù)是20世紀(jì)90年代在日本和歐美發(fā)展起來的污泥處理新技術(shù)，2008年以后，我國也逐步開展了相關(guān)技術(shù)研究和工程應(yīng)用。國內(nèi)外工程應(yīng)用的結(jié)果表明，和傳統(tǒng)的堆肥、焚燒等處理技術(shù)相比，熱解碳化在能源有效利用、資源化、溫室氣體減排等方面表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢，逐漸成為國際上有機(jī)固廢處理的研究熱點(diǎn)和新發(fā)展方向。以全鏈條處理處置視角，易腐有機(jī)固廢熱解碳化過程重點(diǎn)關(guān)注：1)熱解反應(yīng)器熱轉(zhuǎn)化效率提升；2)全流程污染物削減與自清潔；3)產(chǎn)物定向調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)與裝備；4)熱解炭產(chǎn)物定向合成與高值資源化利用。目前易腐有機(jī)固廢熱解碳化技術(shù)已經(jīng)在日本實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模的工程應(yīng)用，并建立了完善的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。我國在易腐有機(jī)固廢碳化技術(shù)引進(jìn)吸收、工程示范等方面已經(jīng)具有一定的基礎(chǔ)，同時開展了相關(guān)產(chǎn)學(xué)研工作，但在關(guān)鍵技術(shù)裝備開發(fā)和工程推廣應(yīng)用等方面還存在較大的發(fā)展空間，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范尚需進(jìn)一步完善。
熱解氣化是無氧或缺氧的條件下，易腐有機(jī)固廢中有機(jī)組分的大分子發(fā)生斷裂，產(chǎn)生小分子氣體和殘?jiān)倪^程，適合于高碳低含水有機(jī)固廢。工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，易腐有機(jī)固廢熱解氣化技術(shù)減量化大于90%，較大程度上降低了土地資源占用，1100℃的高溫使無害化處理更為徹底，氣化過程產(chǎn)生的可燃?xì)饪捎糜谇岸烁苫?，殘?jiān)鼊t可進(jìn)行建材資源化利用。同時，從原理上遏制了二噁英的生成，氣化產(chǎn)物渣中重金屬得到固化，無飛灰產(chǎn)生，全過程更潔凈、高效。高參數(shù)熱解氣化技術(shù)和裝備、全過程污染物削減及熱解氣高效清潔與利用是其重點(diǎn)研究方向。
水熱碳化是在180～260℃和5～25MPa的條件下，將易腐有機(jī)固廢轉(zhuǎn)化為富含碳的固體煤狀產(chǎn)品的過程，適合于高含水有機(jī)固廢。水熱炭產(chǎn)率為40%～80%，液相產(chǎn)率為5%～20%，氣體產(chǎn)生量較小(2%～5%)。水熱炭除了可用作生物燃料，由于其特殊的化學(xué)或結(jié)構(gòu)特性，可根據(jù)特定的應(yīng)用需求制備功能化的碳基材料。水熱碳化反應(yīng)過程參數(shù)調(diào)控、水熱碳的高效可控合成及液相難降解有機(jī)質(zhì)的處理處置是亟待重點(diǎn)突破的方向。
3. 易腐有機(jī)固廢固液分離
水－固混合的穩(wěn)定膠狀絮體狀態(tài)是易腐有機(jī)固廢的共性特征，高含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞95%)是制約易腐有機(jī)固廢處理處置效率的主要因素之一，有效固液分離(95%→40%)可實(shí)現(xiàn)易腐有機(jī)固廢體積減容92%以上，提高熱值15倍以上，是提升易腐有機(jī)固廢資源化處理效率的首要步驟，也是焚燒、熱解等熱處理工藝實(shí)現(xiàn)能量平衡甚至回收的必要前提。然而，易腐有機(jī)固廢系有機(jī)－無機(jī)高度混雜的非均相復(fù)雜體系，水－固間的各類物化鍵合作用使得其呈現(xiàn)穩(wěn)定的膠狀絮體狀態(tài)，固液分離極度困難?，F(xiàn)有易腐有機(jī)固廢固液分離工藝常采用“脫水調(diào)理－機(jī)械壓濾－熱干化”的技術(shù)組合模式，普遍存在藥耗高(易腐有機(jī)固廢干基質(zhì)量的20%～30%)、能耗高(600～800kcal/kg H2O)、效率低等問題，特別是非相變、低藥耗方式降低易腐有機(jī)固廢含水率至60%以下仍是易腐有機(jī)固廢處理領(lǐng)域的長期技術(shù)瓶頸，易腐有機(jī)固廢固液分離性能的影響機(jī)制及提升技術(shù)方法是相關(guān)領(lǐng)域長期關(guān)注的熱點(diǎn)難點(diǎn)，如圖4所示。
由于水分微尺度空間分布位點(diǎn)和水－固相互作用機(jī)制的差異，易腐有機(jī)固廢中水分存在潛在的分類分型現(xiàn)象(微生物細(xì)胞內(nèi)水、間隙水、毛細(xì)水、表面附著水、結(jié)晶水等)。不同類型水分的相對含量及其在固體中浸潤分布的微尺度賦存特征是水－固相互作用影響易腐有機(jī)固廢組成結(jié)構(gòu)特性的直接結(jié)果，因此是表征易腐有機(jī)固廢水－固相互作用強(qiáng)度，解析易腐有機(jī)固廢持水能力影響機(jī)制的重要切入點(diǎn)，也是準(zhǔn)確認(rèn)知各類固液分離技術(shù)對不同來源易腐有機(jī)固廢作用效能、提高易腐有機(jī)固廢固液分離過程運(yùn)行調(diào)控技術(shù)水平的重要理論依據(jù)。然而，由于易腐有機(jī)固廢屬于有機(jī)、無機(jī)組分高度混雜的非均相復(fù)雜體系，易腐有機(jī)固廢水分潛在的分類分型現(xiàn)象缺乏直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)支撐，可視化、定量化解析易腐有機(jī)固廢水分賦存狀態(tài)一直是瓶頸性問題。
在易腐有機(jī)固廢水分賦存狀態(tài)的研究基礎(chǔ)上，相關(guān)研究重點(diǎn)關(guān)注了水－固相互作用機(jī)制對水分賦存狀態(tài)的影響機(jī)制。根據(jù)“相似相溶”原理，易腐有機(jī)固廢固體表面親水性官能團(tuán)和水分子均屬于極性分子結(jié)構(gòu)單元；親水性(極性)官能團(tuán)和極性水分子均由于內(nèi)部電荷分布不均而存在永久偶極矩，分子熱運(yùn)動又使得偶極矩產(chǎn)生變化的電場和磁場，進(jìn)而導(dǎo)致親水性(極性)官能團(tuán)和極性水分子之間產(chǎn)生非化學(xué)鍵作用(范德華力、氫鍵、鹵鍵等)；若能有效削減易腐有機(jī)固廢固體表面親水性分子結(jié)構(gòu)單元與液體分子的吸引作用力，則可大幅降低易腐有機(jī)固廢固－液界面親和性能，從而實(shí)現(xiàn)易腐有機(jī)固廢膠狀絮體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，提升固液分離效率。因此，易腐有機(jī)固廢水－固界面分子間相互作用對水－固親和性能的影響機(jī)制和調(diào)控機(jī)理是突破易腐有機(jī)固廢固液分離技術(shù)瓶頸的核心科學(xué)問題。已有研究系統(tǒng)識別了各類易腐有機(jī)固廢的主要持水物質(zhì)，解析了水－固界面化學(xué)組成，水－固界面分子的物化鍵合機(jī)理及調(diào)控方式是易腐有機(jī)固廢固液分離性能影響機(jī)制研究未來重點(diǎn)關(guān)注的議題。
在易腐有機(jī)固廢水分賦存狀態(tài)及影響機(jī)制等機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，高效、低耗的易腐有機(jī)固廢固液分離性能提升技術(shù)一直是相關(guān)領(lǐng)域持續(xù)追求的研究目標(biāo)。已有研究開發(fā)了若干種易腐有機(jī)固廢脫水調(diào)理技術(shù)，通過改變易腐有機(jī)固廢固體組成的理化性質(zhì)削減絮體對水分的束縛作用，改善水分賦存狀態(tài)以提高易腐有機(jī)固廢脫水性能。因易腐有機(jī)固廢固體顆粒表面通常帶負(fù)電，以鋁鹽、鐵鹽為代表的混凝劑以及以陽離子聚丙烯酰胺及其衍生物為代表的絮凝劑通過表面電性中和與吸附架橋作用促進(jìn)易腐有機(jī)固廢顆粒凝聚，排出顆粒間隙水并強(qiáng)化固體顆粒沉降分離性能，但混凝劑/絮凝劑投加量與易腐有機(jī)固廢表面電性以及顆粒粒徑的量化對應(yīng)關(guān)系尚不明確，不同來源易腐有機(jī)固廢固體表面電性、顆粒粒徑、孔隙率等物理性質(zhì)的最優(yōu)化范圍并無統(tǒng)一定論，同種混凝劑/絮凝劑對不同來源易腐有機(jī)固廢的調(diào)理效果存在很大差異，且藥劑過量投加易引起易腐有機(jī)固廢干基質(zhì)量增加和體積增容；此外，以Fenton、類Fenton、過硫酸鹽氧化為代表的高級氧化技術(shù)通過強(qiáng)力裂解持水物質(zhì)提升易腐有機(jī)固廢脫水性能，也得到國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注，但易腐有機(jī)固廢組成極度復(fù)雜，持水性有機(jī)物的非飽和分子結(jié)構(gòu)單元(雙鍵或芳香環(huán))和親水性官能團(tuán)(—NH2等)對非選擇性的羥基自由基(·OH)存在競爭作用，導(dǎo)致非選擇性高級氧化反應(yīng)無法靶向破壞易腐有機(jī)固廢固體表面親水性結(jié)構(gòu)單元，基于高級氧化的易腐有機(jī)固廢脫水調(diào)理技術(shù)具有藥劑消耗量高(易腐有機(jī)固廢干基質(zhì)量的20～50%)，二次污染風(fēng)險高(Fe2+、Fe3+、過硫酸根等具有一定生物毒性及腐蝕性)，工藝控制復(fù)雜(要求酸性pH值)等問題；近年來，還有研究通過超聲、水力空化、熱水解、循環(huán)凍融等物理方式裂解微生物細(xì)胞和膠狀絮體結(jié)構(gòu)，通過易腐有機(jī)固廢固體組成向液相的強(qiáng)化溶出，破壞易腐有機(jī)固廢中的微生物聚集體持水能力，但上述物理調(diào)理方法定向調(diào)控易腐有機(jī)固廢固體組成以及水－固微觀聚集狀態(tài)的理論依據(jù)尚不完善，反應(yīng)過程難以精準(zhǔn)控制，能量過度輸入反而會惡化易腐有機(jī)固廢脫水性能。非相變、低藥耗方式降低易腐有機(jī)固廢含水率至60%以下，仍是未來應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的研究目標(biāo)。
05
結(jié)論
1)有機(jī)固廢量大面廣，具有易腐敗、高含水的特性，具有污染與資源雙重屬性，有機(jī)固廢資源化是我國減污降碳和無廢城市建設(shè)的重要任務(wù)，是綠色低碳循環(huán)發(fā)展的重要抓手。
2)污泥等有機(jī)固廢具有多介質(zhì)、多組分的復(fù)雜特性，傳統(tǒng)處理處置技術(shù)轉(zhuǎn)化效率低、資源化利用不足。未來需要重點(diǎn)突破多介質(zhì)復(fù)雜體系下的交互作用機(jī)制的識別及多介質(zhì)反應(yīng)動力學(xué)的定向調(diào)控機(jī)理，形成新原理、新方法。
3)雙碳背景下，有機(jī)固廢處理處置與資源化要打破傳統(tǒng)思維，從全生命周期角度秉持“綠色、低碳、循環(huán)”理念，實(shí)現(xiàn)有機(jī)固廢技術(shù)的創(chuàng)新突破，實(shí)現(xiàn)從“有機(jī)固廢大國”向“有機(jī)固廢強(qiáng)國”的轉(zhuǎn)變。
