戴晓虎：有机固废技术创新思考

导读：本文为同济大学教授、城市污染控制国家工程研究中心主任戴晓虎在2022中国沼气学会学术年会上以“有机固废技术创新思考”为主题进行的发言。他从富集功能微生物、固液分离、沼渣利用、高效脱氮、磷回收强化、产物利用等角度介绍了当前的研究进展情况，指出有机固废由于其复杂性，对于行业来说既是机遇也是挑战，相信未来通过学科交叉等方面的技术开发，有望获得创新突破。

有机固废的背景与需求

我国有机固废产量大，存量多，年产约60-100亿吨，存量也可达到200亿吨。若不能得到有效处理，则会带来环境污染的问题。相比我国，发达国家在无废城市和循环经济方面的相关政策和措施更加完善，特别像欧盟在2019年发布的《欧洲绿色新政》，明确提出在2050年资源开采与经济要脱钩，实现零废弃物的目标，这意味着到2050年这些废弃物要最大化的实现资源化的处理。我国也提出了无废城市，包括在二十大报告里面也提出了降碳、减污、扩绿、增长等要求，应该说从未来发展的角度解决这些废弃物的污染问题，同时实现资源化循环利用，实现低碳绿色发展，这是国际的共识。

作为有机固废，特别是易腐的有机固废之所以会变成废弃物，主要原因归结于它具有多介质、多组分的复杂特性。换句话说，如果是很单一的介质则会早早的被利用。有机固废包含了各种物质相互的作用，同时又有污染和资源的属性。在这当中我们也知道其富含了碳、氮、磷等资源。对生活源有机固废来说，磷是重要的战略性资源，具有极高的战略意义，所以欧洲发达国家已经把磷作为战略性的资源来看待。而世界上的磷矿经过开采和使用，预测未来可供用80-200年，未来的磷资源也需要循环利用，这只是有机固废一个重要的资源化方向。所以在资源属性和污染属性共存的情况下，我们要实现它的无害化，同时也要最大化提升它的资源属性，也是我们环境工程所要做的事情。

研究热点

在过去，有机固废的处理主要停留在第一阶段，主要是污染的控制为主。而现在我们通过科技创新技术，在污染控制的同时要实现有机固废的高转化率，实现资源的回收利用。目前我们已有一些智能化的装备，包含生物处理、热处理等各种技术，但是技术和装备的整体水平，还不能适应未来既要污染控制又要实现资源化的提升的要求。所以在这样的基础背景下，我国和其他世界各国的同行们也是不遗余力的在这方面进行研究。由于有机固废成分太复杂，所以现在还是一个黑箱、灰箱，我们要做的工作是想办法把黑箱变成白箱，就是说在这样复杂体系的过程中，我们如何能够定向的调控。以下是六个重点的研究方向，目前已取得很好的进展，同时对新技术的突破也是充满着期待。

研究进展

首先从有机固废生物处理的角度来看，厌氧技术比较传统。但是在污水处理的厌氧消化方面的发展速度相当快，从过去的混合反应器一直到现在的IC反应器，在经过近四十年的发展，已经形成了很完善的技术。比如食品工业，像啤酒厂废水的反应停留时间，从过去的二十几天可缩短到一天，这方面得益于颗粒污泥的发展。但是目前在固废的厌氧消化方面，就我们提到的污泥、餐厨、秸秆，总体还是采用全混的反应器，整体的效率还是比较低，这是我们面临如何实现高效回收生物质能的一个难点。其次是甲烷含量，目前在50%-70%。如何通过科技创新的方式提升甲烷产量，减少二氧化碳产量，缩短停留时间，提高转化效率，是有机固废的厌氧生物处理方面在未来很重要的方向。如果科技能够在这方面有所突破的话，将来对废弃物产沼气，或者制备其他的高附加值产品的一些厌氧发酵过程，都是一个很好的提升。

在生物处理方面，我们目前也取得了比较好的进展和成果，首先是利用现有的表征手段，在易腐有机固体复杂体系中探究生物降解机制以及抗降解机制；其次就是高含固的厌氧消化理论方面的发展，特别像是污泥处理，过去含固率是5%，现在可以是10%、15%；再有就是在多介质协同的厌氧消化方面，包括在多介质协同的厌氧消化的调控和物质流角度的互补方面都得到了很好的发展。

同时我们也知道未来传统的厌氧消化，要想提高它的效率，肯定离不开生物处理技术和材料科学。在材料科学上面，包括MOF材料、铁基复合材料，来驱动和强化厌氧消化。并且国内外从事这个领域的科学家也都做了这方面的研究工作，有很多的小试和中试成果。如何实现进一步地放大，这也是未来的一个重点。并且我们的研究发现这些新材料的引入，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。

另外，厌氧消化很重要的一点是如何富集功能的微生物。比如通过颗粒污泥进行废水处理的方式，也是通过不断地筛选过程，富集了高效率的微生物菌群。在固相的厌氧消化过程中，也有这方面的研究，是通过自持气浮的方式，实现功能微生物的富集。并且这种方法获得了中国和美国的专利，也在中试研究当中得到了证实。

固液分离也是一个很重要的方面，目前固液分离主要通过混凝沉淀的方式，需要添加药剂，另外固液分离也存在瓶颈问题，比如污泥含水率只到70%-80%，进一步降低含水率难度较大，所以在这种情况下，对于固液分离的研究也是一个研究的热点。并且固液分离后进行厌氧消化，可实现多途径资源化的回收利用。过去对水分的赋存形态和水-固相互作用等的理论认识不足，而现在借助科技的发展，可通过先进的表征手段进行测定，也重新认识了水固结合的形态、结合的方式。热干化蒸发的方式需要很大的能耗，如果通过非相变、低药耗的方式，这样可以提高整个易腐有机固废的处理能力和经济效益。在前期研究的基础上，比如梯级压力脱水，原来我们认为易腐有机固废是非压缩性流体，而现在我们发现压力达到一定程度以后，用梯级的方法是可以实现固液的高效分离。另外通过一些极性分子作为载体，极性溶剂可以实现循环利用，破坏亲疏水性能也可以实现固液高效的分离，这也是一个研究的热点。

再一个方面是有机固废厌氧产沼气会产生大量的沼渣，但是沼渣如何实现更好的利用，这也是我们厌氧生物处理易腐有机固废的重要方向。在这个过程中，我们知道沼渣和沼液是一个很好的资源，通常大家都认为这一类物质对植物的生长是很有利的，很多现场的试验也都表明的确是在植物生长当中有促进作用，但是它的氮磷钾的浓度处于合适的范围。虽然我们在这方面开展了一些研究，但是在未来，我们要着重去实现这些过程的调控。

我们知道在厌氧消化过程中，特别是蛋白质的含量是比较高的。像污泥这一类的，有机氮会转化成氨氮，这一类氨氮如果不得到很好的处理，也会影响整个厌氧发酵的效益，也包括餐厨等。在此条件下，厌氧氨氧化技术用在厌氧消化浓度比较高的氨氮处理，这是比较有利的，但是在这个过程当中也存在着复杂体系对厌氧氧化抑制的因素，在这方面国际国内开发了一些相应的工艺，如新型SPND耦合驱动两段工艺，还有用填料或载体的方式解决沼液处理不加碳源的情况下，比较高效、经济的脱氮变成氮气。另外随着餐厨、厨余高含固的处理，过去厌氧消化只有500-600 mg/L的氨氮，现在高含固系统要达到2000-3000 mg/L的氨氮，像这样的高氨氮其实是可以通过利用沼液的碱度，采用负压的方式进行氨的回收，变成碳酸氢铵这样的物质作为肥料去使用。

还有基于磷形态定向转化的磷回收强化技术，磷的回收是很重要的方面。特别是污泥中磷形态分布相当复杂，如何实现磷的高效回收，这个方面也做了大量的工作。目前我们国家还没有相应的这方面的政策，欧洲、德国已经提出了污水厂污泥的磷回收计划，相信中国在不久的将来也会在这方面有一些新的政策来引领，来提升我们国家磷回收的水平。

根据国外的经验，厌氧消化之后的沼渣在重金属等不超标的情况下，可以进行土地利用。但是我们国家因为有一些城市的土地资源有限，所以最后的末端产物实质上是可以通过热解的方式，一个是减量，一个是变成热解的碳硅资源，进一步实现建材利用和土地利用。这方面技术也得到了很好的发展，不过核心的问题还是如何实现这些技术的定向调控。

发展趋势

◉ 理念的转变——系统的思维

我们要转变思维和理念，形成系统性思维，特别在双碳的背景下，不要只说处理，也要谈利用。从它的能级的角度、资源化的角度，进行源头减量—资源化循环—末端处置，这也是国际上的一个共识。另外要加大清洁生产，像垃圾、厨余源头的减量，这是固废减量的重要环节。

◉ 降碳减污增长——碳排放约束性指标

从未来的发展来看，不管我们做研发也好，还是产业也好，碳排放肯定会作为一个约束性的指标。我们过去主要考虑的是经济指标，但是未来考察环境效益，除了达标以外，还要进行碳排放的量化考核，所以这个也是我们未来在有机固废研发，或者是新技术开发的一个很重要的方面。

◉ 多学科交叉融合——赋能新技术原理产出

在未来一定是技术学科的交叉与融合，特别是现在的生命科学，分子生物学技术发展很快，另外材料科学的发展速度也很快，而且能很好的支撑有机固废方面的研究。

◉ 信息技术——加强对厌氧功能微生物的认知与探索

信息技术也是很重要的一个方面，通过这样的技术手段，能加快提升我们在厌氧产沼方面、厌氧发酵方面的技术水平。比如说对厌氧消化功能微生物的认知，过去我们都知道乙酸型产甲烷，现在还有甲基型、氢型等等，可以直接产生甲烷，在这方面的认识相当有限，只有不足0.1%的厌氧微生物的认识，在这方面未来会有很大的提升和突破。

◉ 物理模型+大数据模型

包括未来黑箱如何实现调控，我们在实验室做了很多的物理模型，将来如果在生物代谢过程当中，它的一些中间产物，包括信号分子能够检测到，以及将来会有大数据模型，通过大数据模型和物理模型的耦合，这样可以大大促进厌氧发酵技术的发展。

◉ 打通技术创新链——强化从0至1突破

现在高校有很多的想法，有很多的技术，但是现在还停留在书架上，如何让这些技术真正的变成一个技术，国际上通常公认的是九级就绪度，在这个九级真正变成技术当中，特别是一些从0至1技术的突破，我觉得创新的全链条是很重要的一个因素。

◉ 产业协同模式——实现增长增值

我们的产业要有规模化，最后还是要有经济效益。在这样的情况下，像协同处理的这种方式，比如说城乡易腐的有机固废可以集中起来协同处理，这样增加规模效益，同时也能够实现多介质的互补，对产生的燃气、沼渣的利用能达到一定规模的话，也可以让这些新的技术更好的落地，也体现我们二十大提出的降碳、减污、扩绿、增长，实现增长增值。

结语

有机固废很复杂，正因为它的复杂，对我们来说也是一个机遇和挑战，所以我相信未来通过学科交叉等方面技术的开发，特别是中国的团队，在这方面不遗余力的研究，中国在这方面的技术一定会有所突破和创新。因为我们有很好的市场需求，另外我们也有很好的科研团队，再加上现在实验室的这些表征手段，也得到了大幅提升，相信在这方面我们中国的团队会走在国际研发队伍的前列。总体来说我相信在双碳目标，特别是循环经济，无废城市、无废社会，人和自然和谐共生大的政策背景下，包括全球对碳中和，应对全球气候变化这样大的共识和背景下，对于有机固废不仅仅会解决它的污染问题，同时也会实现资源的高效回收利用。