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導讀：本文為同濟大學教授、城市污染控制國家工程研究中心主任戴曉虎在2022中國沼氣學會學術年會上以“有機固廢技術創(chuàng)新思考”為主題進行的發(fā)言。他從富集功能微生物、固液分離、沼渣利用、高效脫氮、磷回收強化、產(chǎn)物利用等角度介紹了當前的研究進展情況，指出有機固廢由于其復雜性，對于行業(yè)來說既是機遇也是挑戰(zhàn)，相信未來通過學科交叉等方面的技術開發(fā)，有望獲得創(chuàng)新突破。

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有機固廢的背景與需求

我國有機固廢產(chǎn)量大，存量多，年產(chǎn)約60-100億噸，存量也可達到200億噸。若不能得到有效處理，則會帶來環(huán)境污染的問題。相比我國，發(fā)達國家在無廢城市和循環(huán)經(jīng)濟方面的相關政策和措施更加完善，特別像歐盟在2019年發(fā)布的《歐洲綠色新政》，明確提出在2050年資源開采與經(jīng)濟要脫鉤，實現(xiàn)零廢棄物的目標，這意味著到2050年這些廢棄物要最大化的實現(xiàn)資源化的處理。我國也提出了無廢城市，包括在二十大報告里面也提出了降碳、減污、擴綠、增長等要求，應該說從未來發(fā)展的角度解決這些廢棄物的污染問題，同時實現(xiàn)資源化循環(huán)利用，實現(xiàn)低碳綠色發(fā)展，這是國際的共識。

作為有機固廢，特別是易腐的有機固廢之所以會變成廢棄物，主要原因歸結于它具有多介質(zhì)、多組分的復雜特性。換句話說，如果是很單一的介質(zhì)則會早早的被利用。有機固廢包含了各種物質(zhì)相互的作用，同時又有污染和資源的屬性。在這當中我們也知道其富含了碳、氮、磷等資源。對生活源有機固廢來說，磷是重要的戰(zhàn)略性資源，具有極高的戰(zhàn)略意義，所以歐洲發(fā)達國家已經(jīng)把磷作為戰(zhàn)略性的資源來看待。而世界上的磷礦經(jīng)過開采和使用，預測未來可供用80-200年，未來的磷資源也需要循環(huán)利用，這只是有機固廢一個重要的資源化方向。所以在資源屬性和污染屬性共存的情況下，我們要實現(xiàn)它的無害化，同時也要最大化提升它的資源屬性，也是我們環(huán)境工程所要做的事情。

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研究熱點

在過去，有機固廢的處理主要停留在第一階段，主要是污染的控制為主。而現(xiàn)在我們通過科技創(chuàng)新技術，在污染控制的同時要實現(xiàn)有機固廢的高轉化率，實現(xiàn)資源的回收利用。目前我們已有一些智能化的裝備，包含生物處理、熱處理等各種技術，但是技術和裝備的整體水平，還不能適應未來既要污染控制又要實現(xiàn)資源化的提升的要求。所以在這樣的基礎背景下，我國和其他世界各國的同行們也是不遺余力的在這方面進行研究。由于有機固廢成分太復雜，所以現(xiàn)在還是一個黑箱、灰箱，我們要做的工作是想辦法把黑箱變成白箱，就是說在這樣復雜體系的過程中，我們?nèi)绾文軌蚨ㄏ虻恼{(diào)控。以下是六個重點的研究方向，目前已取得很好的進展，同時對新技術的突破也是充滿著期待。

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研究進展

在生物處理方面，我們目前也取得了比較好的進展和成果，首先是利用現(xiàn)有的表征手段，在易腐有機固體復雜體系中探究生物降解機制以及抗降解機制；其次就是高含固的厭氧消化理論方面的發(fā)展，特別像是污泥處理，過去含固率是5%，現(xiàn)在可以是10%、15%；再有就是在多介質(zhì)協(xié)同的厭氧消化方面，包括在多介質(zhì)協(xié)同的厭氧消化的調(diào)控和物質(zhì)流角度的互補方面都得到了很好的發(fā)展。

同時我們也知道未來傳統(tǒng)的厭氧消化，要想提高它的效率，肯定離不開生物處理技術和材料科學。在材料科學上面，包括MOF材料、鐵基復合材料，來驅(qū)動和強化厭氧消化。并且國內(nèi)外從事這個領域的科學家也都做了這方面的研究工作，有很多的小試和中試成果。如何實現(xiàn)進一步地放大，這也是未來的一個重點。并且我們的研究發(fā)現(xiàn)這些新材料的引入，一方面可以提高它的降解效率，另一方面也可以提高甲烷的含量。

固液分離也是一個很重要的方面，目前固液分離主要通過混凝沉淀的方式，需要添加藥劑，另外固液分離也存在瓶頸問題，比如污泥含水率只到70%-80%，進一步降低含水率難度較大，所以在這種情況下，對于固液分離的研究也是一個研究的熱點。并且固液分離后進行厭氧消化，可實現(xiàn)多途徑資源化的回收利用。過去對水分的賦存形態(tài)和水-固相互作用等的理論認識不足，而現(xiàn)在借助科技的發(fā)展，可通過先進的表征手段進行測定，也重新認識了水固結合的形態(tài)、結合的方式。熱干化蒸發(fā)的方式需要很大的能耗，如果通過非相變、低藥耗的方式，這樣可以提高整個易腐有機固廢的處理能力和經(jīng)濟效益。在前期研究的基礎上，比如梯級壓力脫水，原來我們認為易腐有機固廢是非壓縮性流體，而現(xiàn)在我們發(fā)現(xiàn)壓力達到一定程度以后，用梯級的方法是可以實現(xiàn)固液的高效分離。另外通過一些極性分子作為載體，極性溶劑可以實現(xiàn)循環(huán)利用，破壞親疏水性能也可以實現(xiàn)固液高效的分離，這也是一個研究的熱點。

再一個方面是有機固廢厭氧產(chǎn)沼氣會產(chǎn)生大量的沼渣，但是沼渣如何實現(xiàn)更好的利用，這也是我們厭氧生物處理易腐有機固廢的重要方向。在這個過程中，我們知道沼渣和沼液是一個很好的資源，通常大家都認為這一類物質(zhì)對植物的生長是很有利的，很多現(xiàn)場的試驗也都表明的確是在植物生長當中有促進作用，但是它的氮磷鉀的濃度處于合適的范圍。雖然我們在這方面開展了一些研究，但是在未來，我們要著重去實現(xiàn)這些過程的調(diào)控。

我們知道在厭氧消化過程中，特別是蛋白質(zhì)的含量是比較高的。像污泥這一類的，有機氮會轉化成氨氮，這一類氨氮如果不得到很好的處理，也會影響整個厭氧發(fā)酵的效益，也包括餐廚等。在此條件下，厭氧氨氧化技術用在厭氧消化濃度比較高的氨氮處理，這是比較有利的，但是在這個過程當中也存在著復雜體系對厭氧氧化抑制的因素，在這方面國際國內(nèi)開發(fā)了一些相應的工藝，如新型SPND耦合驅(qū)動兩段工藝，還有用填料或載體的方式解決沼液處理不加碳源的情況下，比較高效、經(jīng)濟的脫氮變成氮氣。另外隨著餐廚、廚余高含固的處理，過去厭氧消化只有500-600 mg/L的氨氮，現(xiàn)在高含固系統(tǒng)要達到2000-3000 mg/L的氨氮，像這樣的高氨氮其實是可以通過利用沼液的堿度，采用負壓的方式進行氨的回收，變成碳酸氫銨這樣的物質(zhì)作為肥料去使用。

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發(fā)展趨勢

我們要轉變思維和理念，形成系統(tǒng)性思維，特別在雙碳的背景下，不要只說處理，也要談利用。從它的能級的角度、資源化的角度，進行源頭減量—資源化循環(huán)—末端處置，這也是國際上的一個共識。另外要加大清潔生產(chǎn)，像垃圾、廚余源頭的減量，這是固廢減量的重要環(huán)節(jié)。

從未來的發(fā)展來看，不管我們做研發(fā)也好，還是產(chǎn)業(yè)也好，碳排放肯定會作為一個約束性的指標。我們過去主要考慮的是經(jīng)濟指標，但是未來考察環(huán)境效益，除了達標以外，還要進行碳排放的量化考核，所以這個也是我們未來在有機固廢研發(fā)，或者是新技術開發(fā)的一個很重要的方面。

在未來一定是技術學科的交叉與融合，特別是現(xiàn)在的生命科學，分子生物學技術發(fā)展很快，另外材料科學的發(fā)展速度也很快，而且能很好的支撐有機固廢方面的研究。

信息技術也是很重要的一個方面，通過這樣的技術手段，能加快提升我們在厭氧產(chǎn)沼方面、厭氧發(fā)酵方面的技術水平。比如說對厭氧消化功能微生物的認知，過去我們都知道乙酸型產(chǎn)甲烷，現(xiàn)在還有甲基型、氫型等等，可以直接產(chǎn)生甲烷，在這方面的認識相當有限，只有不足0.1%的厭氧微生物的認識，在這方面未來會有很大的提升和突破。

包括未來黑箱如何實現(xiàn)調(diào)控，我們在實驗室做了很多的物理模型，將來如果在生物代謝過程當中，它的一些中間產(chǎn)物，包括信號分子能夠檢測到，以及將來會有大數(shù)據(jù)模型，通過大數(shù)據(jù)模型和物理模型的耦合，這樣可以大大促進厭氧發(fā)酵技術的發(fā)展。

現(xiàn)在高校有很多的想法，有很多的技術，但是現(xiàn)在還停留在書架上，如何讓這些技術真正的變成一個技術，國際上通常公認的是九級就緒度，在這個九級真正變成技術當中，特別是一些從0至1技術的突破，我覺得創(chuàng)新的全鏈條是很重要的一個因素。

我們的產(chǎn)業(yè)要有規(guī)模化，最后還是要有經(jīng)濟效益。在這樣的情況下，像協(xié)同處理的這種方式，比如說城鄉(xiāng)易腐的有機固廢可以集中起來協(xié)同處理，這樣增加規(guī)模效益，同時也能夠?qū)崿F(xiàn)多介質(zhì)的互補，對產(chǎn)生的燃氣、沼渣的利用能達到一定規(guī)模的話，也可以讓這些新的技術更好的落地，也體現(xiàn)我們二十大提出的降碳、減污、擴綠、增長，實現(xiàn)增長增值。

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結語

有機固廢很復雜，正因為它的復雜，對我們來說也是一個機遇和挑戰(zhàn)，所以我相信未來通過學科交叉等方面技術的開發(fā)，特別是中國的團隊，在這方面不遺余力的研究，中國在這方面的技術一定會有所突破和創(chuàng)新。因為我們有很好的市場需求，另外我們也有很好的科研團隊，再加上現(xiàn)在實驗室的這些表征手段，也得到了大幅提升，相信在這方面我們中國的團隊會走在國際研發(fā)隊伍的前列。總體來說我相信在雙碳目標，特別是循環(huán)經(jīng)濟，無廢城市、無廢社會，人和自然和諧共生大的政策背景下，包括全球?qū)μ贾泻停瑧獙θ驓夂蜃兓@樣大的共識和背景下，對于有機固廢不僅僅會解決它的污染問題，同時也會實現(xiàn)資源的高效回收利用。

來源：中國給水排水