技术前沿：基于等电点预处理的新型污泥厌氧消化技术
我国污水厂污泥产量巨大，处理处置形势严峻，实现污泥的资源化、能源化利用既是国家重大需求，也是“双碳”目标要求。污泥具有“污染”和“资源”双重属性，厌氧消化处理在降低污染的同时从污泥中回收生物质能，是实现污泥资源化、能源化的主流技术。但污泥泥质复杂，污泥厌氧消化效率低，如甲烷产率低（通常低于理论值的50%）、甲烷在沼气中的比例低（仅有65%左右）、反应周期长（>20天），是本领域面临的瓶颈问题。为此，本团队基于污泥具有多介质、多组分的半刚性结构特点，提出了利用等电点瓦解污泥结构强化厌氧消化过程中污泥固-液界面非生物驱动力，从而提升污泥厌氧消化效率的新原理，形成了基于等电点预处理的新型污泥厌氧消化技术，甲烷产率提升80%~150%（达到理论值的70%），甲烷在沼气中比例达80%以上，反应周期缩短至5天。本技术从污泥中高效获取生物质能的同时回收多种物质资源，并降低消化污泥重金属污染，与传统污泥厌氧消化技术相比，本技术可使年经济效益增加162%，减少约2.63 × 107kg CO2/年的碳排放量，具有显著的经济效益、社会效益和环境效益。
1 技术背景
随着活性污泥法在城镇污水处理厂的普及应用，我国污水厂污泥产量与日俱增。据不完全统计，截止到2021年底，污泥年产量已突破6500万吨（以含水率80%计），污泥中含有大量易腐有机质、重金属、病原微生物等，若不妥善处理，将严重威胁环境，污泥处理处置形势日益严峻。污泥具有“污染”和“资源”双重属性，随着现代污水处理厂的功能从削减污染向面向未来的资源、能源工厂转变，富含有机污染物的污泥，不再被视为污染物，而是廉价的资源来对待，如图1所示。在众多的污泥处理技术中，厌氧消化具有能量回收高、环境影响低等特点，被认为是现代污水处理厂的重要组成部分。实现污泥中物质与能量的高效转化将是污泥厌氧消化技术所面临的必然要求。
5 技术优势
本技术基本的工艺流程如图5所示，与传统污泥厌氧消化相比，基于等电点预处理的新型污泥厌氧消化技术具有以下几点优势：
回收污泥中无机碳和硫化物，降低其在厌氧消化过程中的逸散性排放
从污泥中去除并回收多价态金属（包括重金属）
显著提高甲烷产率，与传统污泥厌氧消化相比，平均提高约120.9%
显著提高甲烷在沼气中的比例，比例最大可达80%以上
显著缩短污泥厌氧消化的反应周期，固体停留时间（SRT）最短可缩短至5天，是传统污泥厌氧消化反应周期的1/4
显著降低污泥厌氧消化后残渣中的重金属含量，减少约50%以上
图5 基于等电点预处理的新型污水厂污泥厌氧消化技术流程图
6 技术应用前景
基于等电点预处理的新型污泥厌氧消化技术操作方法简单易行，化学试剂用量低（以污泥pI=2.8为例，酸用量为80 mL 浓盐酸（37%）/kg TS，碱用量为13 g NaOH/ kg TS），涉及的设备均为日常所见，在回收无机碳、硫化物、多价态金属等资源物质的同时高效回收生物质能（CH4），并附带减小消化污泥中重金属污染，有利于污泥末端处理处置。
为准确评估本技术的应用前景，以上海某污水处理厂每年处理74460 t TS污泥为例进行计算。由于一次性投入的基建费、设备运行费和人员投入费等会因不同地区或不同污水处理厂现状的不同而存在较大差异，因此，在本次计算中暂不考虑。计算条件与结果如表1所示。与传统污泥厌氧消化技术相比，本技术年经济效益将增加约162%，并且，将减少约2.63 × 107 kg CO2/年的碳排放量（其中，能量源碳排放将减少约2.59 × 107 kg CO2/年，逸散性碳排放将减少4.26 × 105 kg CO2/年），具有显著的经济效益、社会效益和环境效益。
表1 新型和传统污泥厌氧消化的基本评估分析
同济大学环境科学与工程学院戴晓虎教授团队
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