1戴晓虎污水厂提质增效背景下污泥处理处置技术研究思考

同济大学TongjiUniversity污水厂提质增效背景下污泥处理处置技术研究思考戴晓虎同济大学环境科学与工程学院同济大学TongjiUniversity23同济大学TongjiUniversity总体发展趋势判断国家发展目标：2035美丽中国基本实现、中等发达国家国际关注热点：全球气候变化、资源短缺矛盾加剧生态文明建设：中国名片、理念观念的转变创新速度加快：创新引领、交叉融合、科技创新速度加快节能降耗、资源循环利用的发展水平会超出预期4同济大学TongjiUniversity污水收集力度加大：全量收集处理泥质：无机组分量会下降或持平有机物组分含量增加40%提升60-70%污泥量：污水量持平或增加和进水水质成正比预计近期增加30-50%未来增加100%污泥量增加、污泥有机物含量增加：处理处置设施的建设影响POPs、EDCs等微污染物微污染物深度处理与安全保障新技术碳、氮、磷等资源能源回收难降解物质强化去除与转化原理污水厂提质增效5同济大学TongjiUniversity资源性物质范围平均值样品数VS(g/kg)142-730428196砂(g/kg)140-56834388C(g/kg)321.3-355.7329.75H(g/kg)51.5-64.055.35N(g/kg)7.4-54.927.2196S(g/kg)8.5-11.49.45P(g/kg)2.2-48.317.1196K(g/kg)0.8-17.54.3196蛋白质40%-60%其他有机物20%~30%多糖10%-20%脂肪~10%污染性物质组成范围平均值样品数重金属污染物（mg/kg）Zn、Cu、Cr、Pb、Ni等0-27300Zn(1367.3)Cu(667.1)Cr(335.9)Pb(143)Ni(62.9)As(28.3)Cd(3.1)Hg(1.7)196有机污染物（μg/kg）抗生素、多环芳烃、多氯联苯等0-33810000APEOs(887000)PAEs(48400)PAHs(15900)BPAs(10500)抗生素(8390)SMs(8320)PBDEs(1020)PFCs(796)5-24微塑料（103个/kg干重）聚烯烃、聚丙烯酸、聚酰胺等1.6056.4平均值为22.7，其中颜色上以白色(59.6%)和黑色(17.6%)为主，形状上以纤维丝（63%)和杆状(15%)为主79其他(mg/kg)致病菌、矿物油等0.01-23矿物油（12.6mg/kg）、总氰化物（0.07mg/kg)4污泥有机物组成污泥“资源”与“污染”属性•污泥物质组成非常复杂，既含有C、N、P等资源性物质，也含有重金属、难降解有机物、持久性有机物、微塑料等污染性物质。•污泥客观对待资源与污染属性•无害化为前提，过程资源化•重金属等污染物下降趋势明显6同济大学TongjiUniversity稳定化减量化无害化资源化污泥处置/资源化通过处理，使其不对环境造成二次污染，不对人体健康产生危害减少污泥的重量和体积回收具有使用价值的物质和资源降解污泥中的易腐有机物质•易腐有机物稳定化处理是我国污泥处理处置的瓶颈•全过程处理处置资源化理念缺乏污泥稳定化处理会加强7同济大学TongjiUniversity污泥处理处置共性技术加强污泥处理处置技术路线：浓缩、脱水、稳定是污泥处理共性技术单元初沉污泥剩余污泥浓缩脱水堆肥土地利用深度脱水填埋自然干化土地利用热解/气化产物利用稳定化脱水热干化建材利用焚烧污泥处理污泥处置脱水脱水热干化8同济大学TongjiUniversity现有填埋场将满负荷运行临时过渡性的技术路线无废社会理念、填埋不符合未来发展趋势填埋焚烧土地利用含水率高、有机质低、能耗高多组份复杂体系、环境要求高生物减量化预处理，末端处理新技术开发污泥生物稳定化处理有毒有害物质不超标污泥土地利用标准（非食物链）无地可埋成本高、不生态80%含水率、50%有机物含量、能耗成本高物质循环利用率低烟气的污染控制公众接受度低典型“消灭”模式末端处理、少烧或不烧无处可去源头控制、模式、观念改变、技术创新污泥处置路线的问题（争论从未停止）同济大学TongjiUniversity910同济大学TongjiUniversity未来发展方向•源头减量+梯级利用+末端处理是未来的发展方向源头减量，控制固废产生Prevention直接再利用Re-use再生循环Recycling资源回收Recovery处置Disposal直接再利用Re-use再生循环Recycling资源回收Recovery处置Disposal源头减量，控制固废产生Prevention11同济大学TongjiUniversity现代科技手段及多学科交叉12同济大学TongjiUniversity安全处理和资源化1、污泥水的结合赋存形态2、污泥水的高效去除原理及方法3、污染物赋存形态4、生物反应过程物质转化及调控原理5、物理化学过程物质转化及调控原理6、污泥复杂体系多级多相/分质分相资源回收方法7、重金属、微塑料、持久性有机物赋存及转化机制8、污泥处理产物环境行为与交互属性9、污泥处理处置风险评估污泥水分的去除污泥难降解污染物去除与稳定污泥中“污染物”资源化污泥产物的环境行为及交互属性污泥复杂体系科学问题13同济大学TongjiUniversity文献调研（论文）国外：过去二十五年经历了从少到多，逐年递增的快速增长模式；热点演变：污泥处理处置-资源化利用技术-----污泥减容技术、污泥稳定化技术一直是研究热点国内：过去十五年经历了从无到有，逐年递增的快速增长模式，尤其是2006年后，文献数量呈指数增长模式；热点：污泥稳定化技术-----污泥热处理技术-------污泥减容技术、污泥资源化利用技术污泥处理处置论文数量中文文献英文文献污泥处理处置论文数量050100150200250300350400450污泥热处理污泥减容化污泥稳定化污泥资源化050100150200250300350污泥热处理污泥减容化污泥稳定化污泥资源化14同济大学TongjiUniversity能源利用补充碳源产甲烷产氢制PHA产电作为污水除磷脱氮的碳源，氮和磷去除率平均提高约30%(XiangLietal.,2011)1gCOD理论上能转化成0.35m3甲烷，即12530kJ/gCOD(Daigger,2009)最大能达到0.27LH2/gCOD(Prasertsanetal.,2008)微生物燃料电池(MFC)理论上1kgCOD能转化成4kWh电能(Halim,2012)转换效率高达36.9%mgC/mgC(Takabatakeetal.,2002;Yanetal.2006)生物柴油美国污水厂每年可产生大约1.4*106m3的生物柴油，相当于全美柴油需求量的1%(Dufrecheetal.,2007)产热生污泥生物干化过程中产热值可达21000KJ/kgBVS(Zhaoetal.,2010)物质回收提取蛋白蛋白能最大化回收80-90%(Chishtietal.,1992;Hwangetal.,2008)制氮肥干污泥中N含量3-4%多为有机氮(US,EPA),若污水中的氮全部利用，可占氮肥产量的30%(WERF,2011)制磷肥美国：干污泥中含P2-3%，1t干污泥含的P价值7美元(Jordan,2011).日本：将污水中的磷（每年5万吨）回收可解决磷矿进口的20%.金属提取美国估算，1t干污泥含价值480美元的Ag,Cu,Au,Pt等13种主要金属(JordanPeccia,2011)，1吨污泥焚烧灰含Au,,Ag约2kg(Cornwall,2015)制生物碳土热解/水热可将有机污染物、塑料等转化生物碳。碳减排12%(Woolfetal.,2010)材料化转化C、Si、金属制成多孔吸附材料，比表面积1800m2/g(Smith,2009)，光电催化材料(Yuan,2014,2015)，储电材料（Yuan,2015）含C和H有机物含H有机物含C、H、O有机物可生物降解有机物可生物降解有机物、矿物油可生物降解含C、H、O有机物利用C和H利用蛋白质利用N利用P利用重金属污染物有机污染物、微塑料等难降解有机物含Si等砂、含C等有机物、含Fe等金属研究热点：梯级利用15同济大学TongjiUniversity1吨污泥（99%含水率）：污泥浓缩：含水率从99%下降到95%，将减少到200公斤污泥脱水：含水率从95%下降到80%，将减少到50公斤（水40kg）污泥深度脱水：可将含水率降低到60%，减少到25公斤（水15kg）污泥干化：含水率降至40%以下降至17公斤（水7kg）污泥焚烧：灰渣5-7kg“污泥泥水”分离研究热点：污泥脱水污泥结合水的高效分离瓶颈16同济大学TongjiUniversity污泥脱水技术研究EPS及EPS功能基团对脱水性能的影响去除EPS/破坏EPS结构提高EPS表面疏水指数胶体稳定性对脱水性能的影响药剂投加破坏胶体稳定性17同济大学TongjiUniversity厌氧消化技术-处理技术•厌氧消化技术是实现污泥资源化回收的主流技术（全链条）污水污泥厌氧消化资源化（CH460~65%）减量化（30%~35%）无害化（杀灭病原菌）餐厨垃圾畜禽粪便农业秸秆稳定化（VS降解~50%）C回收N回收沼气制天然气硫酸铵/碳酸氢铵鸟粪石MAP生物碳土沼液沼液沼渣转化效率转化机制沼气纯化回收效率回收方法转化途径回收效率回收方法形成机制污染物的识别污染物的去除方法污染物的迁移转化途径科学问题18同济大学TongjiUniversity产甲烷三种代谢途径图与氨/铵离子有关的功能基因的相对丰度图•高氨氮胁迫下,与氨迁移转化和氨基酸代谢有关的基因相比稳定阶段相对丰度更低•产甲烷途径：乙酸利用型、甲醇利用型、氢利用型•通过宏基因组的分析，高氨氮胁迫下，促进了乙酸氧化成H2和CO2，促进了甲醇生成甲基，促进了氢利用型生成甲基，但是甲基转化甲烷途径受到抑制•高氨氮胁迫下，产甲烷途径的抑制主要来源于甲基转化甲烷途径Daietal.PharmacyToday.2016,6:395-402;He.IWA-ASPIREConference&Exhibition.Beijing,2015厌氧消化研究高氨氮条件下宏基因组分析19同济大学TongjiUniversityWangetal.Environ.Sci.Technol.2018,52,7160-7169.•纳米磁铁矿强化了污泥系统中的直接种间电子传递（DIET）•缓解了污泥厌氧消化系统中挥发性脂肪酸的积累•提升了污泥厌氧消化系统的甲烷产量（增加26.6%）•改善了污泥厌氧消化系统中乙酸利用型产甲烷菌的代谢效率厌氧消化研究强化污泥有机质转化新技术与机制-直接种间电子传递途径20同济大学TongjiUniversity城市污水高效处理与再生利用、城市污泥中C、N、P高效资源化回收高负荷富集污水A段：污染物高效富集B段：物质/能源高效回收高效厌氧消化污泥沼气脱水沼液沼渣土壤有机质(NPK)功能材料MAP磷肥厌氧氨氧化再生水厌氧氨氧化菌种筛C段：污水高效脱氮污染物资源化梯级利用21同济大学TongjiUniversity研究热点：高效堆肥技术污泥快速稳定化的机制：高温发酵微生物有机物降解与腐殖化过程？物质流能量流转化机制：腐殖质在能量、物质代谢中扮演角色；功能物质的合成代谢规律科学问题：不添加木质素的污泥强化腐殖化过程：类胡敏酸生成显著（三维荧光分析）符合多酚学说：多糖/酚→酰胺I/II/III→羰基/醌（傅里叶红外二维相关分析）通过热预处理等手段筛选、富集Firmicutes为主的初期功能菌，以加速有机质分解形成以Proteobacteria&Actinobacteria为优势菌的污泥产品Tangetal.,submitting.22同济大学TongjiUniversity研究热点：水热处理技术传质传热？污泥复杂体系多组份定向调控？装备开发水热污水污泥科学问题温度影响机制？多组份反应过程调控