在(zài)2022年12月15日，由中國(guó)沼氣學會、哈爾濱工業大(dà)學、德國(guó)農業協會共同主辦的(de)2022中國(guó)沼氣學會學術年會暨第十二屆中德沼氣合作論壇上(shàng)同濟大(dà)學教授、城市污染控制國(guó)家工程研究中心主任戴曉虎以(yǐ)“有機固廢技術創新思考”爲(wéi / wèi)主題進行發言。他(tā)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、産物利用等角度介紹了(le／liǎo)當前的(de)研究進展情況，指出(chū)有機固廢由于(yú)其複雜性，對于(yú)行業來(lái)說(shuō)既是(shì)機遇也(yě)是(shì)挑戰，相信未來(lái)通過學科交叉等方面的(de)技術開發，有望獲得創新突破。本文根據其發言整理。
有機固廢的(de)背景與需求
我國(guó)有機固廢産量大(dà)，存量多，年産約60億-100億噸，存量也(yě)可達到(dào)200億噸。若不(bù)能得到(dào)有效處理，則會帶來(lái)環境污染的(de)問題。相比我國(guó)，發達國(guó)家在(zài)無廢城市和(hé / huò)循環經濟方面的(de)相關政策和(hé / huò)措施更加完善，特别像歐盟在(zài)2019年發布的(de)《歐洲綠色新政》，明确提出(chū)在(zài)2050年資源開采與經濟要(yào / yāo)脫鈎，實現零廢棄物的(de)目标，這(zhè)意味着到(dào)2050年這(zhè)些廢棄物要(yào / yāo)最大(dà)化的(de)實現資源化的(de)處理。我國(guó)也(yě)提出(chū)了(le／liǎo)無廢城市，包括在(zài)二十大(dà)報告裏面也(yě)提出(chū)了(le／liǎo)降碳、減污、擴綠、增長等要(yào / yāo)求，應該說(shuō)從未來(lái)發展的(de)角度解決這(zhè)些廢棄物的(de)污染問題，同時(shí)實現資源化循環利用，實現低碳綠色發展，這(zhè)是(shì)國(guó)際的(de)共識。
作爲(wéi / wèi)有機固廢，特别是(shì)易腐的(de)有機固廢之(zhī)所以(yǐ)會變成廢棄物，主要(yào / yāo)原因歸結于(yú)它具有多介質、多組分的(de)複雜特性。換句話說(shuō)，如果是(shì)很單一(yī / yì ／yí)的(de)介質則會早早的(de)被利用。有機固廢包含了(le／liǎo)各種物質相互的(de)作用，同時(shí)又有污染和(hé / huò)資源的(de)屬性。在(zài)這(zhè)當中我們也(yě)知道(dào)其富含了(le／liǎo)碳、氮、磷等資源。對生活源有機固廢來(lái)說(shuō)，磷是(shì)重要(yào / yāo)的(de)戰略性資源，具有極高的(de)戰略意義，所以(yǐ)歐洲發達國(guó)家已經把磷作爲(wéi / wèi)戰略性的(de)資源來(lái)看待。而(ér)世界上(shàng)的(de)磷礦經過開采和(hé / huò)使用，預測未來(lái)可供用80-200年，未來(lái)的(de)磷資源也(yě)需要(yào / yāo)循環利用，這(zhè)隻是(shì)有機固廢一(yī / yì ／yí)個(gè)重要(yào / yāo)的(de)資源化方向。所以(yǐ)在(zài)資源屬性和(hé / huò)污染屬性共存的(de)情況下，我們要(yào / yāo)實現它的(de)無害化，同時(shí)也(yě)要(yào / yāo)最大(dà)化提升它的(de)資源屬性，也(yě)是(shì)我們環境工程所要(yào / yāo)做的(de)事情。
研究熱點
在(zài)過去，有機固廢的(de)處理主要(yào / yāo)停留在(zài)第一(yī / yì ／yí)階段，主要(yào / yāo)是(shì)污染的(de)控制爲(wéi / wèi)主。而(ér)現在(zài)我們通過科技創新技術，在(zài)污染控制的(de)同時(shí)要(yào / yāo)實現有機固廢的(de)高轉化率，實現資源的(de)回收利用。目前我們已有一(yī / yì ／yí)些智能化的(de)裝備，包含生物處理、熱處理等各種技術，但是(shì)技術和(hé / huò)裝備的(de)整體水平，還不(bù)能适應未來(lái)既要(yào / yāo)污染控制又要(yào / yāo)實現資源化的(de)提升的(de)要(yào / yāo)求。所以(yǐ)在(zài)這(zhè)樣的(de)基礎背景下，我國(guó)和(hé / huò)其他(tā)世界各國(guó)的(de)同行們也(yě)是(shì)不(bù)遺餘力的(de)在(zài)這(zhè)方面進行研究。由于(yú)有機固廢成分太複雜，所以(yǐ)現在(zài)還是(shì)一(yī / yì ／yí)個(gè)黑箱、灰箱，我們要(yào / yāo)做的(de)工作是(shì)想辦法把黑箱變成白箱，就(jiù)是(shì)說(shuō)在(zài)這(zhè)樣複雜體系的(de)過程中，我們如何能夠定向的(de)調控。以(yǐ)下是(shì)六個(gè)重點的(de)研究方向，目前已取得很好的(de)進展，同時(shí)對新技術的(de)突破也(yě)是(shì)充滿着期待。
研究進展
首先從有機固廢生物處理的(de)角度來(lái)看，厭氧技術比較傳統。但是(shì)在(zài)污水處理的(de)厭氧消化方面的(de)發展速度相當快，從過去的(de)混合反應器一(yī / yì ／yí)直到(dào)現在(zài)的(de)IC反應器，在(zài)經過近四十年的(de)發展，已經形成了(le／liǎo)很完善的(de)技術。比如食品工業，像啤酒廠廢水的(de)反應停留時(shí)間，從過去的(de)二十幾天可縮短到(dào)一(yī / yì ／yí)天，這(zhè)方面得益于(yú)顆粒污泥的(de)發展。但是(shì)目前在(zài)固廢的(de)厭氧消化方面，就(jiù)我們提到(dào)的(de)污泥、餐廚、稭稈，總體還是(shì)采用全混的(de)反應器，整體的(de)效率還是(shì)比較低，這(zhè)是(shì)我們面臨如何實現高效回收生物質能的(de)一(yī / yì ／yí)個(gè)難點。其次是(shì)甲烷含量，目前在(zài)50%-70%。如何通過科技創新的(de)方式提升甲烷産量，減少二氧化碳産量，縮短停留時(shí)間，提高轉化效率，是(shì)有機固廢的(de)厭氧生物處理方面在(zài)未來(lái)很重要(yào / yāo)的(de)方向。如果科技能夠在(zài)這(zhè)方面有所突破的(de)話，将來(lái)對廢棄物産沼氣，或者制備其他(tā)的(de)高附加值産品的(de)一(yī / yì ／yí)些厭氧發酵過程，都是(shì)一(yī / yì ／yí)個(gè)很好的(de)提升。
在(zài)生物處理方面，我們目前也(yě)取得了(le／liǎo)比較好的(de)進展和(hé / huò)成果，首先是(shì)利用現有的(de)表征手段，在(zài)易腐有機固體複雜體系中探究生物降解機制以(yǐ)及抗降解機制；其次就(jiù)是(shì)高含固的(de)厭氧消化理論方面的(de)發展，特别像是(shì)污泥處理，過去含固率是(shì)5%，現在(zài)可以(yǐ)是(shì)10%、15%；再有就(jiù)是(shì)在(zài)多介質協同的(de)厭氧消化方面，包括在(zài)多介質協同的(de)厭氧消化的(de)調控和(hé / huò)物質流角度的(de)互補方面都得到(dào)了(le／liǎo)很好的(de)發展。
同時(shí)我們也(yě)知道(dào)未來(lái)傳統的(de)厭氧消化，要(yào / yāo)想提高它的(de)效率，肯定離不(bù)開生物處理技術和(hé / huò)材料科學。在(zài)材料科學上(shàng)面，包括MOF材料、鐵基複合材料，來(lái)驅動和(hé / huò)強化厭氧消化。并且國(guó)内外從事這(zhè)個(gè)領域的(de)科學家也(yě)都做了(le／liǎo)這(zhè)方面的(de)研究工作，有很多的(de)小試和(hé / huò)中試成果。如何實現進一(yī / yì ／yí)步地(dì / de)放大(dà)，這(zhè)也(yě)是(shì)未來(lái)的(de)一(yī / yì ／yí)個(gè)重點。并且我們的(de)研究發現這(zhè)些新材料的(de)引入，一(yī / yì ／yí)方面可以(yǐ)提高它的(de)降解效率，另一(yī / yì ／yí)方面也(yě)可以(yǐ)提高甲烷的(de)含量。
另外，厭氧消化很重要(yào / yāo)的(de)一(yī / yì ／yí)點是(shì)如何富集功能的(de)微生物。比如通過顆粒污泥進行廢水處理的(de)方式，也(yě)是(shì)通過不(bù)斷地(dì / de)篩選過程，富集了(le／liǎo)高效率的(de)微生物菌群。在(zài)固相的(de)厭氧消化過程中，也(yě)有這(zhè)方面的(de)研究，是(shì)通過自持氣浮的(de)方式，實現功能微生物的(de)富集。并且這(zhè)種方法獲得了(le／liǎo)中國(guó)和(hé / huò)美國(guó)的(de)專利，也(yě)在(zài)中試研究當中得到(dào)了(le／liǎo)證實。
固液分離也(yě)是(shì)一(yī / yì ／yí)個(gè)很重要(yào / yāo)的(de)方面，目前固液分離主要(yào / yāo)通過混凝沉澱的(de)方式，需要(yào / yāo)添加藥劑，另外固液分離也(yě)存在(zài)瓶頸問題，比如污泥含水率隻到(dào)70%-80%，進一(yī / yì ／yí)步降低含水率難度較大(dà)，所以(yǐ)在(zài)這(zhè)種情況下，對于(yú)固液分離的(de)研究也(yě)是(shì)一(yī / yì ／yí)個(gè)研究的(de)熱點。并且固液分離後進行厭氧消化，可實現多途徑資源化的(de)回收利用。過去對水分的(de)賦存形态和(hé / huò)水-固相互作用等的(de)理論認識不(bù)足，而(ér)現在(zài)借助科技的(de)發展，可通過先進的(de)表征手段進行測定，也(yě)重新認識了(le／liǎo)水固結合的(de)形态、結合的(de)方式。熱幹化蒸發的(de)方式需要(yào / yāo)很大(dà)的(de)能耗，如果通過非相變、低藥耗的(de)方式，這(zhè)樣可以(yǐ)提高整個(gè)易腐有機固廢的(de)處理能力和(hé / huò)經濟效益。在(zài)前期研究的(de)基礎上(shàng)，比如梯級壓力脫水，原來(lái)我們認爲(wéi / wèi)易腐有機固廢是(shì)非壓縮性流體，而(ér)現在(zài)我們發現壓力達到(dào)一(yī / yì ／yí)定程度以(yǐ)後，用梯級的(de)方法是(shì)可以(yǐ)實現固液的(de)高效分離。另外通過一(yī / yì ／yí)些極性分子(zǐ)作爲(wéi / wèi)載體，極性溶劑可以(yǐ)實現循環利用，破壞親疏水性能也(yě)可以(yǐ)實現固液高效的(de)分離，這(zhè)也(yě)是(shì)一(yī / yì ／yí)個(gè)研究的(de)熱點。
再一(yī / yì ／yí)個(gè)方面是(shì)有機固廢厭氧産沼氣會産生大(dà)量的(de)沼渣，但是(shì)沼渣如何實現更好的(de)利用，這(zhè)也(yě)是(shì)我們厭氧生物處理易腐有機固廢的(de)重要(yào / yāo)方向。在(zài)這(zhè)個(gè)過程中，我們知道(dào)沼渣和(hé / huò)沼液是(shì)一(yī / yì ／yí)個(gè)很好的(de)資源，通常大(dà)家都認爲(wéi / wèi)這(zhè)一(yī / yì ／yí)類物質對植物的(de)生長是(shì)很有利的(de)，很多現場的(de)試驗也(yě)都表明的(de)确是(shì)在(zài)植物生長當中有促進作用，但是(shì)它的(de)氮磷鉀的(de)濃度處于(yú)合适的(de)範圍。雖然我們在(zài)這(zhè)方面開展了(le／liǎo)一(yī / yì ／yí)些研究，但是(shì)在(zài)未來(lái)，我們要(yào / yāo)着重去實現這(zhè)些過程的(de)調控。
我們知道(dào)在(zài)厭氧消化過程中，特别是(shì)蛋白質的(de)含量是(shì)比較高的(de)。像污泥這(zhè)一(yī / yì ／yí)類的(de)，有機氮會轉化成氨氮，這(zhè)一(yī / yì ／yí)類氨氮如果不(bù)得到(dào)很好的(de)處理，也(yě)會影響整個(gè)厭氧發酵的(de)效益，也(yě)包括餐廚等。在(zài)此條件下，厭氧氨氧化技術用在(zài)厭氧消化濃度比較高的(de)氨氮處理，這(zhè)是(shì)比較有利的(de)，但是(shì)在(zài)這(zhè)個(gè)過程當中也(yě)存在(zài)着複雜體系對厭氧氧化抑制的(de)因素，在(zài)這(zhè)方面國(guó)際國(guó)内開發了(le／liǎo)一(yī / yì ／yí)些相應的(de)工藝，如新型SPND耦合驅動兩段工藝，還有用填料或載體的(de)方式解決沼液處理不(bù)加碳源的(de)情況下，比較高效、經濟的(de)脫氮變成氮氣。另外随着餐廚、廚餘高含固的(de)處理，過去厭氧消化隻有500-600 mg/L的(de)氨氮，現在(zài)高含固系統要(yào / yāo)達到(dào)2000-3000 mg/L的(de)氨氮，像這(zhè)樣的(de)高氨氮其實是(shì)可以(yǐ)通過利用沼液的(de)堿度，采用負壓的(de)方式進行氨的(de)回收，變成碳酸氫铵這(zhè)樣的(de)物質作爲(wéi / wèi)肥料去使用。
還有基于(yú)磷形态定向轉化的(de)磷回收強化技術，磷的(de)回收是(shì)很重要(yào / yāo)的(de)方面。特别是(shì)污泥中磷形态分布相當複雜，如何實現磷的(de)高效回收，這(zhè)個(gè)方面也(yě)做了(le／liǎo)大(dà)量的(de)工作。目前我們國(guó)家還沒有相應的(de)這(zhè)方面的(de)政策，歐洲、德國(guó)已經提出(chū)了(le／liǎo)污水廠污泥的(de)磷回收計劃，相信中國(guó)在(zài)不(bù)久的(de)将來(lái)也(yě)會在(zài)這(zhè)方面有一(yī / yì ／yí)些新的(de)政策來(lái)引領，來(lái)提升我們國(guó)家磷回收的(de)水平。
根據國(guó)外的(de)經驗，厭氧消化之(zhī)後的(de)沼渣在(zài)重金屬等不(bù)超标的(de)情況下，可以(yǐ)進行土地(dì / de)利用。但是(shì)我們國(guó)家因爲(wéi / wèi)有一(yī / yì ／yí)些城市的(de)土地(dì / de)資源有限，所以(yǐ)最後的(de)末端産物實質上(shàng)是(shì)可以(yǐ)通過熱解的(de)方式，一(yī / yì ／yí)個(gè)是(shì)減量，一(yī / yì ／yí)個(gè)是(shì)變成熱解的(de)碳矽資源，進一(yī / yì ／yí)步實現建材利用和(hé / huò)土地(dì / de)利用。這(zhè)方面技術也(yě)得到(dào)了(le／liǎo)很好的(de)發展，不(bù)過核心的(de)問題還是(shì)如何實現這(zhè)些技術的(de)定向調控。
發展趨勢
？ 理念的(de)轉變——系統的(de)思維
我們要(yào / yāo)轉變思維和(hé / huò)理念，形成系統性思維，特别在(zài)雙碳的(de)背景下，不(bù)要(yào / yāo)隻說(shuō)處理，也(yě)要(yào / yāo)談利用。從它的(de)能級的(de)角度、資源化的(de)角度，進行源頭減量—資源化循環—末端處置，這(zhè)也(yě)是(shì)國(guó)際上(shàng)的(de)一(yī / yì ／yí)個(gè)共識。另外要(yào / yāo)加大(dà)清潔生産，像垃圾、廚餘源頭的(de)減量，這(zhè)是(shì)固廢減量的(de)重要(yào / yāo)環節。
？ 降碳減污增長——碳排放約束性指标
從未來(lái)的(de)發展來(lái)看，不(bù)管我們做研發也(yě)好，還是(shì)産業也(yě)好，碳排放肯定會作爲(wéi / wèi)一(yī / yì ／yí)個(gè)約束性的(de)指标。我們過去主要(yào / yāo)考慮的(de)是(shì)經濟指标，但是(shì)未來(lái)考察環境效益，除了(le／liǎo)達标以(yǐ)外，還要(yào / yāo)進行碳排放的(de)量化考核，所以(yǐ)這(zhè)個(gè)也(yě)是(shì)我們未來(lái)在(zài)有機固廢研發，或者是(shì)新技術開發的(de)一(yī / yì ／yí)個(gè)很重要(yào / yāo)的(de)方面。
？ 多學科交叉融合——賦能新技術原理産出(chū)
在(zài)未來(lái)一(yī / yì ／yí)定是(shì)技術學科的(de)交叉與融合，特别是(shì)現在(zài)的(de)生命科學，分子(zǐ)生物學技術發展很快，另外材料科學的(de)發展速度也(yě)很快，而(ér)且能很好的(de)支撐有機固廢方面的(de)研究。
？ 信息技術——加強對厭氧功能微生物的(de)認知與探索
信息技術也(yě)是(shì)很重要(yào / yāo)的(de)一(yī / yì ／yí)個(gè)方面，通過這(zhè)樣的(de)技術手段，能加快提升我們在(zài)厭氧産沼方面、厭氧發酵方面的(de)技術水平。比如說(shuō)對厭氧消化功能微生物的(de)認知，過去我們都知道(dào)乙酸型産甲烷，現在(zài)還有甲基型、氫型等等，可以(yǐ)直接産生甲烷，在(zài)這(zhè)方面的(de)認識相當有限，隻有不(bù)足0.1%的(de)厭氧微生物的(de)認識，在(zài)這(zhè)方面未來(lái)會有很大(dà)的(de)提升和(hé / huò)突破。
？ 物理模型+大(dà)數據模型
包括未來(lái)黑箱如何實現調控，我們在(zài)實驗室做了(le／liǎo)很多的(de)物理模型，将來(lái)如果在(zài)生物代謝過程當中，它的(de)一(yī / yì ／yí)些中間産物，包括信号分子(zǐ)能夠檢測到(dào)，以(yǐ)及将來(lái)會有大(dà)數據模型，通過大(dà)數據模型和(hé / huò)物理模型的(de)耦合，這(zhè)樣可以(yǐ)大(dà)大(dà)促進厭氧發酵技術的(de)發展。
？ 打通技術創新鏈——強化從0至1突破
現在(zài)高校有很多的(de)想法，有很多的(de)技術，但是(shì)現在(zài)還停留在(zài)書架上(shàng)，如何讓這(zhè)些技術真正的(de)變成一(yī / yì ／yí)個(gè)技術，國(guó)際上(shàng)通常公認的(de)是(shì)九級就(jiù)緒度，在(zài)這(zhè)個(gè)九級真正變成技術當中，特别是(shì)一(yī / yì ／yí)些從0至1技術的(de)突破，我覺得創新的(de)全鏈條是(shì)很重要(yào / yāo)的(de)一(yī / yì ／yí)個(gè)因素。
？ 産業協同模式——實現增長增值
我們的(de)産業要(yào / yāo)有規模化，最後還是(shì)要(yào / yāo)有經濟效益。在(zài)這(zhè)樣的(de)情況下，像協同處理的(de)這(zhè)種方式，比如說(shuō)城鄉易腐的(de)有機固廢可以(yǐ)集中起來(lái)協同處理，這(zhè)樣增加規模效益，同時(shí)也(yě)能夠實現多介質的(de)互補，對産生的(de)燃氣、沼渣的(de)利用能達到(dào)一(yī / yì ／yí)定規模的(de)話，也(yě)可以(yǐ)讓這(zhè)些新的(de)技術更好的(de)落地(dì / de)，也(yě)體現我們二十大(dà)提出(chū)的(de)降碳、減污、擴綠、增長，實現增長增值。
結語
有機固廢很複雜，正因爲(wéi / wèi)它的(de)複雜，對我們來(lái)說(shuō)也(yě)是(shì)一(yī / yì ／yí)個(gè)機遇和(hé / huò)挑戰，所以(yǐ)我相信未來(lái)通過學科交叉等方面技術的(de)開發，特别是(shì)中國(guó)的(de)團隊，在(zài)這(zhè)方面不(bù)遺餘力的(de)研究，中國(guó)在(zài)這(zhè)方面的(de)技術一(yī / yì ／yí)定會有所突破和(hé / huò)創新。因爲(wéi / wèi)我們有很好的(de)市場需求，另外我們也(yě)有很好的(de)科研團隊，再加上(shàng)現在(zài)實驗室的(de)這(zhè)些表征手段，也(yě)得到(dào)了(le／liǎo)大(dà)幅提升，相信在(zài)這(zhè)方面我們中國(guó)的(de)團隊會走在(zài)國(guó)際研發隊伍的(de)前列。總體來(lái)說(shuō)我相信在(zài)雙碳目标，特别是(shì)循環經濟，無廢城市、無廢社會，人(rén)和(hé / huò)自然和(hé / huò)諧共生大(dà)的(de)政策背景下，包括全球對碳中和(hé / huò)，應對全球氣候變化這(zhè)樣大(dà)的(de)共識和(hé / huò)背景下，對于(yú)有機固廢不(bù)僅僅會解決它的(de)污染問題，同時(shí)也(yě)會實現資源的(de)高效回收利用。