楊東海 華煜 武博然 戴曉虎*
（同濟(jì)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092）
研究背景 人類生產(chǎn)生活會(huì)消耗大量的資源，同時(shí)產(chǎn)生大量的廢棄物。中國(guó)有機(jī)廢棄物包含廚余垃圾、餐廚垃圾、城市污泥等生活源，農(nóng)業(yè)秸稈、畜禽糞污等農(nóng)業(yè)源和菌渣、酒糟等工業(yè)源廢棄物，產(chǎn)量大，涉及面廣，總量超過(guò)40億t，位居全球首位。有機(jī)固廢具有污染物和資源的雙重屬性，如不妥善處理和利用，將會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)。有機(jī)廢棄物的資源化處理處置是我國(guó)減污降碳和無(wú)廢城市建設(shè)的重要任務(wù)。 我國(guó)有機(jī)固廢傳統(tǒng)上以填埋處置方式為主，資源化利用率較低。近年來(lái)，國(guó)家陸續(xù)提出了無(wú)廢城市、垃圾分類和循環(huán)經(jīng)濟(jì)等系列行動(dòng)計(jì)劃，對(duì)有機(jī)固廢資源化提出了明確的要求。在氣候變化和資源短缺的背景下，固體廢物資源化利用成為綠色發(fā)展和循環(huán)發(fā)展的重要切入點(diǎn)和抓手。有機(jī)固廢易腐敗、高含水、污染與資源并存的屬性決定了其穩(wěn)定化、減量化、無(wú)害化和資源化處理處置的基本原則。但由于有機(jī)固廢具有多介質(zhì)、多組分的復(fù)雜特性，傳統(tǒng)處理過(guò)程存在生物轉(zhuǎn)化效率低、固液分離能耗藥耗高、熱化學(xué)過(guò)程調(diào)控難的瓶頸問(wèn)題，限制了有機(jī)固廢資源轉(zhuǎn)化的技術(shù)水平。故亟需對(duì)有機(jī)固廢關(guān)鍵物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)進(jìn)行識(shí)別，解析“污染物”潛藏資/能源物質(zhì)激活原理與轉(zhuǎn)化途徑，開(kāi)發(fā)資源物質(zhì)回收與難降解污染物的穩(wěn)定去除的方法，創(chuàng)新有機(jī)固廢資源化處理處置技術(shù)和協(xié)同模式，實(shí)現(xiàn)從“有機(jī)固廢大國(guó)”向“有機(jī)固廢強(qiáng)國(guó)”的轉(zhuǎn)變。 本文圍繞我國(guó)有機(jī)固廢資源化的技術(shù)需求,綜述了我國(guó)有機(jī)固廢產(chǎn)生與處理現(xiàn)狀,分析了有機(jī)固廢特性和處理技術(shù)需求,總結(jié)了有機(jī)固廢生物處理、熱化學(xué)處理、固液分離、資源回收等技術(shù)的研究進(jìn)展和難點(diǎn),提出了有機(jī)固廢未來(lái)技術(shù)突破方向,以期為我國(guó)無(wú)廢城市建設(shè)和雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供科技支撐。 摘 要 有機(jī)固廢資源化是我國(guó)減污降碳和無(wú)廢城市建設(shè)的重要任務(wù)，是綠色低碳循環(huán)發(fā)展的重要抓手。綜述了我國(guó)不同來(lái)源有機(jī)固廢的產(chǎn)量與處理現(xiàn)狀，梳理了我國(guó)無(wú)廢城市、減污降碳等有機(jī)固廢相關(guān)政策文件。基于有機(jī)固廢易腐敗、高含水的特性，以及污染和資源雙重屬性，提出了以無(wú)害化為目標(biāo)、以資源化為手段的基本理念?？偨Y(jié)分析了有機(jī)固廢作為多介質(zhì)、多組分交互的復(fù)雜體系，在生物轉(zhuǎn)化、熱化學(xué)轉(zhuǎn)化、固液分離、產(chǎn)物資源利用方面的研究進(jìn)展和技術(shù)難點(diǎn)，并提出了有機(jī)固廢未來(lái)重點(diǎn)突破方向，旨在為我國(guó)有機(jī)固廢資源化處理處置的技術(shù)研究提供參考。
01 我國(guó)有機(jī)固廢產(chǎn)生與利用現(xiàn)狀 1. 產(chǎn)生與處理處置現(xiàn)狀 近年來(lái)，我國(guó)城鄉(xiāng)有機(jī)固體廢棄物(廚余垃圾、城市污泥、農(nóng)作物秸稈、畜禽糞便等)的產(chǎn)生量迅速增長(zhǎng)。根據(jù)中國(guó)城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒，2021年我國(guó)縣級(jí)以上城鎮(zhèn)地區(qū)污泥產(chǎn)量超過(guò)8000萬(wàn)t(以80%含水率計(jì))，預(yù)計(jì)2025年我國(guó)城鎮(zhèn)污泥產(chǎn)量將突破1億t。2021年我國(guó)縣級(jí)以上城鎮(zhèn)地區(qū)生活垃圾清運(yùn)量達(dá)到3.2億t。詳見(jiàn)圖1。按照廚余垃圾占比40%估算，我國(guó)廚余垃圾(含餐廚垃圾)年產(chǎn)生量約為1.28億t。根據(jù)第二次全國(guó)污染源普查測(cè)算，2020年我國(guó)畜禽糞污年產(chǎn)量30.5億t，秸稈產(chǎn)生量約為8億t。我國(guó)有機(jī)固廢年產(chǎn)總量超過(guò)40億t。 我國(guó)城鎮(zhèn)生活垃圾早期以混合填埋為主，隨著垃圾填埋設(shè)施逐漸趨于相對(duì)飽和，垃圾焚燒設(shè)施建設(shè)進(jìn)入高峰期，垃圾焚燒處理能力逐年增加。目前，城市生活垃圾焚燒處理量占比約62%，衛(wèi)生填埋占比約33%，已形成以焚燒為主的生活垃圾處理格局。縣城生活垃圾衛(wèi)生填埋處理量占比為72%，仍是當(dāng)前生活垃圾最主要的處理方式。隨著國(guó)家垃圾分類政策的不斷推進(jìn)，目前46個(gè)重點(diǎn)城市基本建成生活垃圾分類系統(tǒng)。以上海市為例，2021年濕垃圾產(chǎn)量平均已經(jīng)超過(guò)1萬(wàn)t/d，占干濕垃圾總量40%左右。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，國(guó)內(nèi)已建和在建廚余垃圾處理設(shè)施中，厭氧消化工藝約占處理總量的87.5%，其余工藝僅占12.5%。 我國(guó)污泥處理處置起步較晚，早期存在“重水輕泥”現(xiàn)象，投資嚴(yán)重不足，大部分污泥以簡(jiǎn)易填埋為主，沒(méi)有得到妥善處理處置。隨著國(guó)家對(duì)污泥問(wèn)題的重視和配套科技投入的不斷加大，建設(shè)了一批示范工程，污泥穩(wěn)定化處理和焚燒比例有所增加，基本形成4條污泥安全處理處置與資源化利用主流技術(shù)路線。但目前我國(guó)只有不到5%的污水處理廠采用了污泥厭氧消化，遠(yuǎn)低于歐洲、美國(guó)和新加坡等國(guó)家。由于我國(guó)大部分污泥沒(méi)有經(jīng)過(guò)穩(wěn)定化處理，同時(shí)污泥土地利用受跨部門(mén)限制，導(dǎo)致污泥土地利用比例遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家70%的水平。 《第二次全國(guó)污染源普查公報(bào)》顯示：2017年國(guó)內(nèi)畜禽養(yǎng)殖業(yè)水污染物排放的化學(xué)需氧量達(dá)1000.53萬(wàn)t，占農(nóng)業(yè)源排放總量的94%，總氮和總磷排放量分別占42%和56%，是農(nóng)業(yè)面源污染的主要來(lái)源。據(jù)估算，2016年全國(guó)每年產(chǎn)生畜禽糞污38億t，綜合利用率不到60%；每年生豬病死淘汰量約6000萬(wàn)頭，集中的專業(yè)無(wú)害化處理比例不高；每年產(chǎn)生秸稈近9億t，其中未利用的約2億t，綜合利用率不足80%。農(nóng)業(yè)廢棄物量大面廣、亂堆亂放、隨意焚燒，嚴(yán)重威脅城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境。 2. 處理處置技術(shù)需求與瓶頸 有機(jī)固廢具有易腐敗、高含水的特性，具有污染和資源的雙重屬性，故穩(wěn)定化、減量化、無(wú)害化和資源化是有機(jī)固廢處理處置的基本原則。城鄉(xiāng)有機(jī)廢棄物量大面廣，其資源化處理處置是我國(guó)減污降碳和無(wú)廢城市建設(shè)的重要任務(wù)。 有機(jī)固廢的處理處置同時(shí)也是不可忽視的碳減排抓手。歐洲統(tǒng)計(jì)局(Eurostat)2016年數(shù)據(jù)顯示，廢棄物領(lǐng)域是第5大碳排放行業(yè)，碳排放量占全社會(huì)總量的3.2%。從溫室氣體類型來(lái)看，甲烷是全球第2大的溫室氣體，對(duì)溫室效應(yīng)的影響占比達(dá)到17.3%，其中廢棄物是甲烷的第3大排放源，26%的甲烷排放來(lái)自于廢棄物。雖然廢棄物領(lǐng)域碳排放量占全社會(huì)比例不大，但涉及環(huán)境和民生問(wèn)題，對(duì)于我國(guó)是深入打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的重要抓手，社會(huì)效益顯著。同時(shí)有機(jī)廢棄物蘊(yùn)含了大量的資源和能源，通過(guò)對(duì)廢棄物資源化潛力的挖掘，是最有望實(shí)現(xiàn)碳中和的領(lǐng)域之一。此外，廢棄物領(lǐng)域甲烷占全社會(huì)排放量比例較大，而實(shí)現(xiàn)CH4等逸散性溫室氣體的減排，是在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)減少全球變暖和控制全球升溫幅度在1.5℃以內(nèi)目標(biāo)的重要途徑。 有機(jī)固廢含有大量易腐有機(jī)質(zhì)和病原菌，如不進(jìn)行穩(wěn)定化處理，容易腐敗發(fā)臭，傳播病原菌，并排放大量溫室氣體。厭氧消化是實(shí)現(xiàn)有機(jī)固廢穩(wěn)定化處理最經(jīng)濟(jì)有效的方式，同時(shí)還可以回收沼氣能源。然而污泥等有機(jī)固廢具有多介質(zhì)、多組分交互作用的復(fù)雜特性，特別是我國(guó)污泥有機(jī)質(zhì)低(我國(guó)污泥有機(jī)質(zhì)含量為30%～60%，發(fā)達(dá)國(guó)家污泥有機(jī)質(zhì)含量為60%～80%)、含砂量高，采用傳統(tǒng)厭氧消化工藝存在降解率低、停留時(shí)間長(zhǎng)、有機(jī)負(fù)荷低的瓶頸。和廢水厭氧處理相比，有機(jī)固廢厭氧轉(zhuǎn)化整體效率較低，停留時(shí)間較長(zhǎng)，通常需要維持在20d以上。實(shí)現(xiàn)易腐有機(jī)質(zhì)的高效穩(wěn)定化和生物質(zhì)能的高效回收是有機(jī)固廢厭氧處理的難點(diǎn)。 污泥等易腐有機(jī)固廢具有高含水的特性，大量水分會(huì)導(dǎo)致其運(yùn)輸成本高，是制約易腐有機(jī)固廢處理處置效率的主要因素之一。但由于污泥是有機(jī)—無(wú)機(jī)—水分高度混雜的非均相復(fù)雜體系，有機(jī)組分親水性較強(qiáng)，導(dǎo)致傳統(tǒng)脫水方式固液分離困難。而傳統(tǒng)水處理領(lǐng)域中的混凝/絮凝理論對(duì)于高固體濃度的污泥體系并不適用，尚缺乏污泥專用的調(diào)理方法。傳統(tǒng)機(jī)械脫水存在脫水難度大、加藥量大的瓶頸問(wèn)題，傳統(tǒng)熱干化能耗高，不可持續(xù)。實(shí)現(xiàn)固液高效分離是污泥等高含水有機(jī)固廢資源化處理處置的技術(shù)難點(diǎn)。 固體廢物是放錯(cuò)位置的資源，固廢資源化利用是循環(huán)經(jīng)濟(jì)的典型內(nèi)涵。有機(jī)固廢富含碳、氮、磷資源物質(zhì)，其中磷作為重要的戰(zhàn)略性資源，其回收對(duì)于解決全球磷危機(jī)具有重要意義。以污水廠污泥為例，污水中90%以上的磷資源富集在污泥中。德國(guó)于2017年10月3日通過(guò)了對(duì)《污水污泥條例》的修訂，其核心內(nèi)容是要求從污水污泥或其焚燒灰中回收磷，其難點(diǎn)在于污泥中磷的形態(tài)復(fù)雜、釋放效率低、回收難度大。有機(jī)固廢厭氧會(huì)產(chǎn)生大量的高氨氮沼液，傳統(tǒng)脫氮工藝流程長(zhǎng)，藥劑投加量大，處理能耗高。功能性微生物的富集、調(diào)控與規(guī)?；嘤菍?shí)現(xiàn)高效脫氮的難點(diǎn)。 產(chǎn)物出路不暢通是有機(jī)固廢處理的瓶頸問(wèn)題之一。以污泥為例，污泥處置的方式主要有填埋、建材利用和土地利用。目前，脫水填埋依然是我國(guó)污泥的主要處置方式，但污泥填埋會(huì)占用大量土地，并釋放大量溫室氣體，且我國(guó)部分經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)城市面臨無(wú)地可埋的困局。建材利用需要對(duì)污泥進(jìn)行干化焚燒或協(xié)同焚燒處理，以實(shí)現(xiàn)污泥的礦化和無(wú)害化。由于污泥含水率較高，有機(jī)質(zhì)含量低，熱值不高，導(dǎo)致焚燒存在投資運(yùn)行成本高，尾氣排放難以穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，鄰避效應(yīng)突出等問(wèn)題。土地利用是污泥生態(tài)化處置的重要消納路徑，是發(fā)達(dá)國(guó)家最重要的處置方式，但受限于意識(shí)、標(biāo)準(zhǔn)銜接、處理水平等方面，我國(guó)污泥土地利用比例目前還較低。 3. 相關(guān)政策分析 發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)紛紛提出了無(wú)廢社會(huì)的目標(biāo)。歐盟委員會(huì)2014年提出了“邁向循環(huán)經(jīng)濟(jì)：歐洲零廢物計(jì)劃”，2019年發(fā)布《歐洲綠色新政》，明確提出在2050年資源與經(jīng)濟(jì)要脫鉤，實(shí)現(xiàn)零廢棄物的目標(biāo)；新加坡提出了“零廢物”的國(guó)家愿景；日本提出建設(shè)“循環(huán)型社會(huì)”；我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)提出構(gòu)建“零廢棄社會(huì)”的目標(biāo)。從發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，固體廢物資源化利用是綠色發(fā)展和循環(huán)發(fā)展的重要切入點(diǎn)和抓手。建設(shè)“無(wú)廢社會(huì)”是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作，是解決新時(shí)期社會(huì)主要矛盾的重要舉措，生態(tài)文明建設(shè)的內(nèi)在要求，實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的有力抓手。 近年來(lái)，隨著我國(guó)對(duì)環(huán)境問(wèn)題的重視，陸續(xù)發(fā)布了一些列涉及有機(jī)固廢資源化相關(guān)的指導(dǎo)文件，對(duì)于我國(guó)無(wú)廢城市建設(shè)、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)具有重要的指導(dǎo)意義。 2018年12月，國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)《“無(wú)廢城市”建設(shè)試點(diǎn)工作方案》(國(guó)辦發(fā)〔2018〕128號(hào))，提出通過(guò)“無(wú)廢城市”建設(shè)試點(diǎn)，大力推進(jìn)源頭減量、資源化利用和無(wú)害化處置，探索建立量化指標(biāo)體系，形成可復(fù)制、可推廣的建設(shè)模式。 2021年5月，國(guó)家發(fā)展改革委、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的《“十四五”城鎮(zhèn)生活垃圾分類和處理設(shè)施發(fā)展規(guī)劃》提出，到2025年底，全國(guó)城市生活垃圾資源化利用率達(dá)到60%左右，基本滿足地級(jí)及以上城市生活垃圾分類收集、分類轉(zhuǎn)運(yùn)、分類處理需求。 2021年7月，國(guó)家發(fā)展改革委印發(fā)《“十四五”循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》，提出要遵循“減量化、再利用、資源化”原則，著力建設(shè)資源循環(huán)型產(chǎn)業(yè)體系，全面提高資源利用效率，建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟(jì)體系。 2021年10月，國(guó)務(wù)院印發(fā)《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》，提出重點(diǎn)實(shí)施“循環(huán)經(jīng)濟(jì)助力降碳行動(dòng)”，大力推進(jìn)生活垃圾減量化資源化，加強(qiáng)農(nóng)作物秸稈綜合利用和畜禽糞污資源化利用。 2021年12月，生態(tài)環(huán)境部印發(fā)《“十四五”時(shí)期“無(wú)廢城市”建設(shè)工作方案》，提出大力推進(jìn)減量化、資源化、無(wú)害化，發(fā)揮減污降碳協(xié)同效應(yīng)，提升城市精細(xì)化管理水平，推動(dòng)城市全面綠色轉(zhuǎn)型。 2022年6月，七部委聯(lián)合印發(fā)《減污降碳協(xié)同增效實(shí)施方案》(環(huán)綜合〔2022〕42號(hào))，提出加強(qiáng)“無(wú)廢城市”建設(shè)，加強(qiáng)生活垃圾減量化、資源化和無(wú)害化處理。 2022年9月，國(guó)家發(fā)展改革委、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部、生態(tài)環(huán)境部聯(lián)合印發(fā)《污泥無(wú)害化處理和資源化利用實(shí)施方案》(發(fā)改環(huán)資〔2022〕1453號(hào))，提出要加快補(bǔ)齊污泥處理短板，提高污泥無(wú)害化處理和資源化利用水平。 黨的二十大報(bào)告提出，要實(shí)施全面節(jié)約戰(zhàn)略，推進(jìn)各類資源節(jié)約集約利用，加快構(gòu)建廢棄物循環(huán)利用體系。構(gòu)建廢棄物循環(huán)利用體系，是實(shí)施全面節(jié)約戰(zhàn)略的重要內(nèi)涵，是深化循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要舉措，是全面提高資源利用效率的必由之路。
02 易腐有機(jī)固廢研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn) 易腐有機(jī)固廢處理的基本理念是“以資源化為手段，無(wú)害化為目標(biāo)”，在低能耗的基礎(chǔ)上，將廢棄的易腐有機(jī)固廢最大程度地轉(zhuǎn)化成生物質(zhì)能、高附加值產(chǎn)品以及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。從物質(zhì)元素組成層面上，通過(guò)生物或化學(xué)手段重新組合C、H、O、N、P和S等元素，改變以上元素的分子組成，使之從低能量載體轉(zhuǎn)變成高能量載體，以實(shí)現(xiàn)易腐有機(jī)固廢的資源循環(huán)利用和降低對(duì)環(huán)境的污染。 以易腐有機(jī)固廢處理處置全生命周期的視角，當(dāng)前研究熱點(diǎn)主要集中在4個(gè)方面：生物轉(zhuǎn)化、熱化學(xué)轉(zhuǎn)化、固液分離與產(chǎn)物資源化。而易腐有機(jī)固廢作為多介質(zhì)、多組分交互的復(fù)雜體系，生物轉(zhuǎn)化效率低、熱化學(xué)過(guò)程調(diào)控難、固液分離能耗高、產(chǎn)物資源利用率低經(jīng)濟(jì)效益缺乏，已成為易腐有機(jī)固廢處理處置技術(shù)瓶頸。究其根源，易腐有機(jī)固廢物質(zhì)賦存結(jié)構(gòu)與性質(zhì)及其對(duì)后續(xù)轉(zhuǎn)化過(guò)程的影響機(jī)制尚不清晰，“污染物”潛藏資源/能源物質(zhì)激活釋放原理及其轉(zhuǎn)化途徑待進(jìn)一步完善，資源物質(zhì)回收方法與難降解污染物深度去除效果尚不穩(wěn)定，生產(chǎn)過(guò)程各類產(chǎn)物的環(huán)境行為及其交互屬性亟待進(jìn)一步評(píng)估。 1. 易腐有機(jī)固廢生物轉(zhuǎn)化 生物轉(zhuǎn)化是易腐有機(jī)固廢的主流處理方式，常用方式包括厭氧消化產(chǎn)甲烷、好氧發(fā)酵生物穩(wěn)定、氮磷物質(zhì)回收或去除、其他高值產(chǎn)品制備等，如圖2所示。 厭氧消化是從易腐有機(jī)固廢中回收生物質(zhì)能最常用的方式。易腐有機(jī)固廢中的復(fù)雜有機(jī)物在微生物的作用下，經(jīng)過(guò)水解、產(chǎn)酸、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷作用，最終轉(zhuǎn)化為清潔能源———甲烷。這是一個(gè)將生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能的過(guò)程，能量轉(zhuǎn)化效率可以通過(guò)單位有機(jī)物產(chǎn)甲烷量來(lái)衡量。在實(shí)際的厭氧消化過(guò)程中，有機(jī)質(zhì)的降解效率通常不足50%，且單位降解有機(jī)質(zhì)的甲烷產(chǎn)率低于300mL/g VSdegraded，遠(yuǎn)低于理論甲烷產(chǎn)率(450～600mL/g VS)。為使得實(shí)測(cè)值盡可能接近理論值，從而獲得更高的生物質(zhì)能收益，相關(guān)研究熱點(diǎn)主要集中在：1)厭氧消化前基于有機(jī)質(zhì)破穩(wěn)解構(gòu)原理的高效預(yù)處理方法開(kāi)發(fā)，如提出了基于等電點(diǎn)預(yù)處理的新方法，從易腐有機(jī)固廢結(jié)構(gòu)性質(zhì)的角度，討論了限制污泥有機(jī)質(zhì)厭氧生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)甲烷的機(jī)制和強(qiáng)化產(chǎn)甲烷的可能方法；2)厭氧消化過(guò)程基于功能微生物強(qiáng)化的定向調(diào)控機(jī)制探索，例如利用微電壓的引入，提高易腐有機(jī)固廢厭氧消化過(guò)程電子傳遞效率，從而驅(qū)動(dòng)電活性功能微生物更高的轉(zhuǎn)化效率(如地桿菌是直接電子傳遞過(guò)程中最為熟知的電子供體微生物，其廣泛參與了直接電子傳遞介導(dǎo)的互養(yǎng)產(chǎn)甲烷過(guò)程)；3)復(fù)雜體系中以高占比為目標(biāo)的甲烷氣定向生產(chǎn)策略，如Fe3O4的引入能夠充當(dāng)連接丙酸氧化產(chǎn)乙酸菌和二氧化碳還原產(chǎn)甲烷菌的電子導(dǎo)線，使2種微生物之間建立種間直接電子傳遞，從而促進(jìn)丙酸降解產(chǎn)甲烷過(guò)程，提高沼氣中甲烷的純度。 好氧發(fā)酵是易腐有機(jī)固廢生物穩(wěn)定化的重要途徑之一。具體來(lái)講，依靠細(xì)菌、放線菌、真菌等微生物，在一定的人工條件下，可控地促進(jìn)可被生物降解的有機(jī)物向穩(wěn)定的腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)化的生物化學(xué)過(guò)程。工藝運(yùn)行不穩(wěn)定、占地面積較大、存在惡臭等二次污染等問(wèn)題在工程應(yīng)用中時(shí)有發(fā)生。聚焦當(dāng)前的工程應(yīng)用瓶頸，相關(guān)研究熱點(diǎn)主要集中在：1)生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)物與環(huán)境交互作用及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，例如復(fù)雜介質(zhì)有機(jī)固廢好氧發(fā)酵腐殖化產(chǎn)物，向土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程的作用規(guī)律及其穩(wěn)定機(jī)制值得深入探索；2)有毒有害物質(zhì)的代謝機(jī)制及遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，有研究發(fā)現(xiàn)好氧發(fā)酵過(guò)程中重金屬形態(tài)分布會(huì)隨著發(fā)酵腐殖化進(jìn)程而變化，可交換態(tài)等不穩(wěn)定態(tài)含量降低，結(jié)合態(tài)和殘留態(tài)等穩(wěn)定態(tài)含量增加，重金屬鈍化現(xiàn)象與機(jī)制的解析進(jìn)一步指導(dǎo)了好氧發(fā)酵調(diào)理劑的研發(fā)；3)易腐有機(jī)固廢高參數(shù)好氧生物穩(wěn)定技術(shù)及調(diào)控，例如開(kāi)發(fā)了基于堆肥利用通風(fēng)量計(jì)算模型確定分段式曝氣模式和通風(fēng)參數(shù)的快速發(fā)酵方法，闡明了前期的小分子物質(zhì)如何與中后期醌基定向聚合是生物強(qiáng)化定向腐殖化過(guò)程調(diào)控關(guān)鍵。 氮、磷是生命活動(dòng)所必需的營(yíng)養(yǎng)元素，但也會(huì)引起水體富營(yíng)養(yǎng)化、微生物過(guò)度增殖等環(huán)境問(wèn)題。易腐有機(jī)固廢是氮磷的重要媒介，從中回收或去除氮、磷具有重要意義，也是易腐有機(jī)固廢生物轉(zhuǎn)化方向研究熱點(diǎn)。具體體現(xiàn)在：1)氮磷物質(zhì)的賦存形態(tài)解析與富集是實(shí)現(xiàn)后端高效去除或回收的首要前提，氮素按存在形態(tài)分為顆粒態(tài)和溶解態(tài)2種，按化學(xué)性質(zhì)分為無(wú)機(jī)氮和有機(jī)氮2種，磷的賦存形態(tài)與易腐有機(jī)固廢種類密切相關(guān)，如活性污泥中磷主要以聚磷形式存在于微生物細(xì)胞內(nèi)，化學(xué)除磷污泥中90%以上的磷以Fe-P/Al-P形式存在或吸附在Fe(OH)3/Al(OH)3的表面，與有機(jī)物形成大的絮狀體，焚燒灰渣中的磷主要以礦物質(zhì)沉淀形式的磷酸鹽存在，然而目前受檢測(cè)手段限制，還無(wú)法全面、精準(zhǔn)地識(shí)別復(fù)雜體系下氮磷的空間分布和相應(yīng)的化學(xué)形態(tài)，后續(xù)研究應(yīng)進(jìn)一步探索其形態(tài)分析方法；2)復(fù)雜體系氮磷回收新方法與新原理，如從富蛋白質(zhì)類易腐有機(jī)固廢中回收對(duì)植物根系/葉面有較高傳遞效率的氨基酸螯合肥(由金屬離子提供空軌道與氨基酸中的氧、氮等原子提供2對(duì)或2對(duì)以上的孤對(duì)電子，通過(guò)配位共價(jià)鍵形成環(huán)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定)，或利用酸溶及厭氧發(fā)酵為主要途徑的強(qiáng)化釋磷后，進(jìn)一步利用金屬分離提純實(shí)現(xiàn)磷的清潔回收，復(fù)雜體系下磷的原位回收技術(shù)亦是研究熱點(diǎn)(直接形成礦物質(zhì)磷沉淀后固液分離回收，或降低有害物質(zhì)含量后磷素直接回收利用)；3)高氨氮、低碳氮比沼液的綠色低耗脫氮處理一直是行業(yè)難題，基于厭氧氨氧化菌的自養(yǎng)脫氮技術(shù)成為解決該行業(yè)問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)，工藝層面需要進(jìn)一步增強(qiáng)厭氧氨氧化菌和氨氧化細(xì)菌在系統(tǒng)中的停留與富集，以確保污水處理系統(tǒng)中有效的生物量停留，同時(shí)抑制其他微生物(特別是亞硝酸鹽氧化細(xì)菌和異養(yǎng)菌)的生長(zhǎng)，并通過(guò)強(qiáng)化手段如載體增加有效生物質(zhì)的持留，目前厭氧氨氧化自養(yǎng)脫氮技術(shù)已經(jīng)在污泥厭氧消化沼液等高氨氮廢水脫氮領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了工程應(yīng)用。然而厭氧氨氧化菌具有倍增速度慢、易受環(huán)境因素抑制的特性，并且我國(guó)缺少規(guī)?；\(yùn)維經(jīng)驗(yàn)，限制了該技術(shù)在我國(guó)的推廣應(yīng)用。如何提高反應(yīng)器啟動(dòng)速度，減少微生物流失，提升脫氮負(fù)荷，減少?gòu)?fù)雜水質(zhì)的抑制性影響，在國(guó)內(nèi)構(gòu)建厭氧氨氧化接種泥基地，是未來(lái)推動(dòng)厭氧氨氧化自養(yǎng)脫氮工藝在我國(guó)應(yīng)用亟待解決的問(wèn)題。 從避免更多化石能源消耗，減少系統(tǒng)熵增，避免營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)角度出發(fā)，易腐有機(jī)固廢源高值化產(chǎn)品制備意義重大：1)易腐有機(jī)固廢合成聚羥基脂肪酸酯(PHA)研究領(lǐng)域重點(diǎn)方向?qū)⑹菑纳锒鄻有越嵌瘸霭l(fā)，深入研究合成PHA菌群的特征及相關(guān)代謝途徑，對(duì)菌群產(chǎn)PHA潛力的分析和模擬是有必要的，尋求具有更低成本、更高性能、更低環(huán)境影響的純化方式是后續(xù)研究的重點(diǎn)方向。除此之外，從馴化富集后的混合物料中篩選PHA合成優(yōu)勢(shì)菌株，并在開(kāi)放條件下利用水解酸化產(chǎn)生的VFA合成PHA，也可以作為易腐有機(jī)固廢合成PHA研究的重要方向；2)需要進(jìn)一步提高易腐有機(jī)固廢生產(chǎn)中長(zhǎng)鏈脂肪酸(MCCAs)原料的豐富性，建立相應(yīng)分類收集和儲(chǔ)存系統(tǒng)后，對(duì)每個(gè)潛在原料的利用成本和生產(chǎn)效能進(jìn)行綜合評(píng)估。多組分物料的協(xié)同消化，也可能是提高M(jìn)CCAs產(chǎn)率的有效手段。高效預(yù)處理、高產(chǎn)菌株的篩選以及具有一定功能彈性的碳鏈延長(zhǎng)反應(yīng)微生物群落的塑造，從而提高M(jìn)CCAs的產(chǎn)量和純度，是實(shí)現(xiàn)MCCAs高效和經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)的關(guān)鍵。 2. 易腐有機(jī)固廢熱化學(xué)轉(zhuǎn)化 因具有反應(yīng)時(shí)間短、設(shè)施占地面積小、有機(jī)物實(shí)現(xiàn)礦化或碳化，并可回收能源資源等優(yōu)勢(shì)，熱化學(xué)轉(zhuǎn)化已成為易腐有機(jī)固廢的主要處理方式之一。常用的處理方式包括干化焚燒、熱解碳化、熱解氣化、水熱碳化等，其在實(shí)際工程應(yīng)用中仍存在技術(shù)難點(diǎn)待突破：1)易腐有機(jī)固廢組分復(fù)雜，熱化學(xué)特性差異大，基礎(chǔ)理論研究滯后；2)易腐有機(jī)固廢能源利用效率較低，高參數(shù)技術(shù)與裝備缺乏；3)易腐有機(jī)固廢種氯、重金屬等污染物含量高，對(duì)于二噁英等污染物仍為被動(dòng)控制?；谝陨掀款i問(wèn)題，易腐有機(jī)固廢熱化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程復(fù)雜組分熱化學(xué)轉(zhuǎn)化機(jī)理需進(jìn)一步揭示，多重污染物過(guò)程交互生成機(jī)制、主控方法及環(huán)境效益待進(jìn)一步探索，能量?jī)?yōu)化提升及其資源回收新原理新方法亟待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，詳見(jiàn)圖3。 干化焚燒是最普遍的易腐有機(jī)固廢熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)，是易腐有機(jī)固廢高溫分解和深度氧化的過(guò)程，可實(shí)現(xiàn)有機(jī)物礦化、污染物削減與深度減量，適合于高碳低含水有機(jī)固廢。燃燒過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量大氣污染物，如甲烷、揮發(fā)性有機(jī)化合物、氮/硫氧化物、氯化氫、多環(huán)芳烴、呋喃、二噁英以及有機(jī)和無(wú)機(jī)氣溶膠微粒等。此外，易腐有機(jī)固廢中存在的堿金屬在高溫燃燒過(guò)程中，會(huì)引起積灰、結(jié)渣、腐蝕等問(wèn)題。高含水和高含氧量，也必然導(dǎo)致低位熱值的降低，燃燒消耗量增加。圍繞前述瓶頸，易腐有機(jī)固廢干化焚燒過(guò)程的研究熱點(diǎn)包括：1)二噁英等污染物原位阻滯機(jī)理及主動(dòng)調(diào)控方法；2)熱工機(jī)制的進(jìn)一步闡釋，可助推焚燒過(guò)程向智能化控制主動(dòng)調(diào)控；3)低容量(＜300t)清潔焚燒關(guān)鍵技術(shù)和裝備開(kāi)發(fā)。 熱解碳化是在無(wú)氧或缺氧條件下，在反應(yīng)溫度400～700℃內(nèi)將易腐有機(jī)固廢轉(zhuǎn)化為富含碳的固體殘?jiān)倪^(guò)程，適合于高碳低含水有機(jī)固廢。熱解碳化技術(shù)是20世紀(jì)90年代在日本和歐美發(fā)展起來(lái)的污泥處理新技術(shù)，2008年以后，我國(guó)也逐步開(kāi)展了相關(guān)技術(shù)研究和工程應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外工程應(yīng)用的結(jié)果表明，和傳統(tǒng)的堆肥、焚燒等處理技術(shù)相比，熱解碳化在能源有效利用、資源化、溫室氣體減排等方面表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢(shì)，逐漸成為國(guó)際上有機(jī)固廢處理的研究熱點(diǎn)和新發(fā)展方向。以全鏈條處理處置視角，易腐有機(jī)固廢熱解碳化過(guò)程重點(diǎn)關(guān)注：1)熱解反應(yīng)器熱轉(zhuǎn)化效率提升；2)全流程污染物削減與自清潔；3)產(chǎn)物定向調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)與裝備；4)熱解炭產(chǎn)物定向合成與高值資源化利用。目前易腐有機(jī)固廢熱解碳化技術(shù)已經(jīng)在日本實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模的工程應(yīng)用，并建立了完善的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。我國(guó)在易腐有機(jī)固廢碳化技術(shù)引進(jìn)吸收、工程示范等方面已經(jīng)具有一定的基礎(chǔ)，同時(shí)開(kāi)展了相關(guān)產(chǎn)學(xué)研工作，但在關(guān)鍵技術(shù)裝備開(kāi)發(fā)和工程推廣應(yīng)用等方面還存在較大的發(fā)展空間，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范尚需進(jìn)一步完善。 熱解氣化是無(wú)氧或缺氧的條件下，易腐有機(jī)固廢中有機(jī)組分的大分子發(fā)生斷裂，產(chǎn)生小分子氣體和殘?jiān)倪^(guò)程，適合于高碳低含水有機(jī)固廢。工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，易腐有機(jī)固廢熱解氣化技術(shù)減量化大于90%，較大程度上降低了土地資源占用，1100℃的高溫使無(wú)害化處理更為徹底，氣化過(guò)程產(chǎn)生的可燃?xì)饪捎糜谇岸烁苫瑲堅(jiān)鼊t可進(jìn)行建材資源化利用。同時(shí)，從原理上遏制了二噁英的生成，氣化產(chǎn)物渣中重金屬得到固化，無(wú)飛灰產(chǎn)生，全過(guò)程更潔凈、高效。高參數(shù)熱解氣化技術(shù)和裝備、全過(guò)程污染物削減及熱解氣高效清潔與利用是其重點(diǎn)研究方向。 水熱碳化是在180～260℃和5～25MPa的條件下，將易腐有機(jī)固廢轉(zhuǎn)化為富含碳的固體煤狀產(chǎn)品的過(guò)程，適合于高含水有機(jī)固廢。水熱炭產(chǎn)率為40%～80%，液相產(chǎn)率為5%～20%，氣體產(chǎn)生量較小(2%～5%)。水熱炭除了可用作生物燃料，由于其特殊的化學(xué)或結(jié)構(gòu)特性，可根據(jù)特定的應(yīng)用需求制備功能化的碳基材料。水熱碳化反應(yīng)過(guò)程參數(shù)調(diào)控、水熱碳的高效可控合成及液相難降解有機(jī)質(zhì)的處理處置是亟待重點(diǎn)突破的方向。 3. 易腐有機(jī)固廢固液分離 水－固混合的穩(wěn)定膠狀絮體狀態(tài)是易腐有機(jī)固廢的共性特征，高含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞95%)是制約易腐有機(jī)固廢處理處置效率的主要因素之一，有效固液分離(95%→40%)可實(shí)現(xiàn)易腐有機(jī)固廢體積減容92%以上，提高熱值15倍以上，是提升易腐有機(jī)固廢資源化處理效率的首要步驟，也是焚燒、熱解等熱處理工藝實(shí)現(xiàn)能量平衡甚至回收的必要前提。然而，易腐有機(jī)固廢系有機(jī)－無(wú)機(jī)高度混雜的非均相復(fù)雜體系，水－固間的各類物化鍵合作用使得其呈現(xiàn)穩(wěn)定的膠狀絮體狀態(tài)，固液分離極度困難。現(xiàn)有易腐有機(jī)固廢固液分離工藝常采用“脫水調(diào)理－機(jī)械壓濾－熱干化”的技術(shù)組合模式，普遍存在藥耗高(易腐有機(jī)固廢干基質(zhì)量的20%～30%)、能耗高(600～800kcal/kg H2O)、效率低等問(wèn)題，特別是非相變、低藥耗方式降低易腐有機(jī)固廢含水率至60%以下仍是易腐有機(jī)固廢處理領(lǐng)域的長(zhǎng)期技術(shù)瓶頸，易腐有機(jī)固廢固液分離性能的影響機(jī)制及提升技術(shù)方法是相關(guān)領(lǐng)域長(zhǎng)期關(guān)注的熱點(diǎn)難點(diǎn)，如圖4所示。 由于水分微尺度空間分布位點(diǎn)和水－固相互作用機(jī)制的差異，易腐有機(jī)固廢中水分存在潛在的分類分型現(xiàn)象(微生物細(xì)胞內(nèi)水、間隙水、毛細(xì)水、表面附著水、結(jié)晶水等)。不同類型水分的相對(duì)含量及其在固體中浸潤(rùn)分布的微尺度賦存特征是水－固相互作用影響易腐有機(jī)固廢組成結(jié)構(gòu)特性的直接結(jié)果，因此是表征易腐有機(jī)固廢水－固相互作用強(qiáng)度，解析易腐有機(jī)固廢持水能力影響機(jī)制的重要切入點(diǎn)，也是準(zhǔn)確認(rèn)知各類固液分離技術(shù)對(duì)不同來(lái)源易腐有機(jī)固廢作用效能、提高易腐有機(jī)固廢固液分離過(guò)程運(yùn)行調(diào)控技術(shù)水平的重要理論依據(jù)。然而，由于易腐有機(jī)固廢屬于有機(jī)、無(wú)機(jī)組分高度混雜的非均相復(fù)雜體系，易腐有機(jī)固廢水分潛在的分類分型現(xiàn)象缺乏直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)支撐，可視化、定量化解析易腐有機(jī)固廢水分賦存狀態(tài)一直是瓶頸性問(wèn)題。 在易腐有機(jī)固廢水分賦存狀態(tài)的研究基礎(chǔ)上，相關(guān)研究重點(diǎn)關(guān)注了水－固相互作用機(jī)制對(duì)水分賦存狀態(tài)的影響機(jī)制。根據(jù)“相似相溶”原理，易腐有機(jī)固廢固體表面親水性官能團(tuán)和水分子均屬于極性分子結(jié)構(gòu)單元；親水性(極性)官能團(tuán)和極性水分子均由于內(nèi)部電荷分布不均而存在永久偶極矩，分子熱運(yùn)動(dòng)又使得偶極矩產(chǎn)生變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，進(jìn)而導(dǎo)致親水性(極性)官能團(tuán)和極性水分子之間產(chǎn)生非化學(xué)鍵作用(范德華力、氫鍵、鹵鍵等)；若能有效削減易腐有機(jī)固廢固體表面親水性分子結(jié)構(gòu)單元與液體分子的吸引作用力，則可大幅降低易腐有機(jī)固廢固－液界面親和性能，從而實(shí)現(xiàn)易腐有機(jī)固廢膠狀絮體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，提升固液分離效率。因此，易腐有機(jī)固廢水－固界面分子間相互作用對(duì)水－固親和性能的影響機(jī)制和調(diào)控機(jī)理是突破易腐有機(jī)固廢固液分離技術(shù)瓶頸的核心科學(xué)問(wèn)題。已有研究系統(tǒng)識(shí)別了各類易腐有機(jī)固廢的主要持水物質(zhì)，解析了水－固界面化學(xué)組成，水－固界面分子的物化鍵合機(jī)理及調(diào)控方式是易腐有機(jī)固廢固液分離性能影響機(jī)制研究未來(lái)重點(diǎn)關(guān)注的議題。 在易腐有機(jī)固廢水分賦存狀態(tài)及影響機(jī)制等機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，高效、低耗的易腐有機(jī)固廢固液分離性能提升技術(shù)一直是相關(guān)領(lǐng)域持續(xù)追求的研究目標(biāo)。已有研究開(kāi)發(fā)了若干種易腐有機(jī)固廢脫水調(diào)理技術(shù)，通過(guò)改變易腐有機(jī)固廢固體組成的理化性質(zhì)削減絮體對(duì)水分的束縛作用，改善水分賦存狀態(tài)以提高易腐有機(jī)固廢脫水性能。因易腐有機(jī)固廢固體顆粒表面通常帶負(fù)電，以鋁鹽、鐵鹽為代表的混凝劑以及以陽(yáng)離子聚丙烯酰胺及其衍生物為代表的絮凝劑通過(guò)表面電性中和與吸附架橋作用促進(jìn)易腐有機(jī)固廢顆粒凝聚，排出顆粒間隙水并強(qiáng)化固體顆粒沉降分離性能，但混凝劑/絮凝劑投加量與易腐有機(jī)固廢表面電性以及顆粒粒徑的量化對(duì)應(yīng)關(guān)系尚不明確，不同來(lái)源易腐有機(jī)固廢固體表面電性、顆粒粒徑、孔隙率等物理性質(zhì)的最優(yōu)化范圍并無(wú)統(tǒng)一定論，同種混凝劑/絮凝劑對(duì)不同來(lái)源易腐有機(jī)固廢的調(diào)理效果存在很大差異，且藥劑過(guò)量投加易引起易腐有機(jī)固廢干基質(zhì)量增加和體積增容；此外，以Fenton、類Fenton、過(guò)硫酸鹽氧化為代表的高級(jí)氧化技術(shù)通過(guò)強(qiáng)力裂解持水物質(zhì)提升易腐有機(jī)固廢脫水性能，也得到國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注，但易腐有機(jī)固廢組成極度復(fù)雜，持水性有機(jī)物的非飽和分子結(jié)構(gòu)單元(雙鍵或芳香環(huán))和親水性官能團(tuán)(—NH2等)對(duì)非選擇性的羥基自由基(·OH)存在競(jìng)爭(zhēng)作用，導(dǎo)致非選擇性高級(jí)氧化反應(yīng)無(wú)法靶向破壞易腐有機(jī)固廢固體表面親水性結(jié)構(gòu)單元，基于高級(jí)氧化的易腐有機(jī)固廢脫水調(diào)理技術(shù)具有藥劑消耗量高(易腐有機(jī)固廢干基質(zhì)量的20～50%)，二次污染風(fēng)險(xiǎn)高(Fe2+、Fe3+、過(guò)硫酸根等具有一定生物毒性及腐蝕性)，工藝控制復(fù)雜(要求酸性pH值)等問(wèn)題；近年來(lái)，還有研究通過(guò)超聲、水力空化、熱水解、循環(huán)凍融等物理方式裂解微生物細(xì)胞和膠狀絮體結(jié)構(gòu)，通過(guò)易腐有機(jī)固廢固體組成向液相的強(qiáng)化溶出，破壞易腐有機(jī)固廢中的微生物聚集體持水能力，但上述物理調(diào)理方法定向調(diào)控易腐有機(jī)固廢固體組成以及水－固微觀聚集狀態(tài)的理論依據(jù)尚不完善，反應(yīng)過(guò)程難以精準(zhǔn)控制，能量過(guò)度輸入反而會(huì)惡化易腐有機(jī)固廢脫水性能。非相變、低藥耗方式降低易腐有機(jī)固廢含水率至60%以下，仍是未來(lái)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的研究目標(biāo)。
03 結(jié)論 1)有機(jī)固廢量大面廣，具有易腐敗、高含水的特性，具有污染與資源雙重屬性，有機(jī)固廢資源化是我國(guó)減污降碳和無(wú)廢城市建設(shè)的重要任務(wù)，是綠色低碳循環(huán)發(fā)展的重要抓手。 2)污泥等有機(jī)固廢具有多介質(zhì)、多組分的復(fù)雜特性，傳統(tǒng)處理處置技術(shù)轉(zhuǎn)化效率低、資源化利用不足。未來(lái)需要重點(diǎn)突破多介質(zhì)復(fù)雜體系下的交互作用機(jī)制的識(shí)別及多介質(zhì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的定向調(diào)控機(jī)理，形成新原理、新方法。 3)雙碳背景下，有機(jī)固廢處理處置與資源化要打破傳統(tǒng)思維，從全生命周期角度秉持“綠色、低碳、循環(huán)”理念，實(shí)現(xiàn)有機(jī)固廢技術(shù)的創(chuàng)新突破，實(shí)現(xiàn)從“有機(jī)固廢大國(guó)”向“有機(jī)固廢強(qiáng)國(guó)”的轉(zhuǎn)變。
