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頂部 《中國給水排水》2025年行業(yè)盛會-水行業(yè)風(fēng)向標(biāo)!
 
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文章推薦 | 陳銀廣教授團隊:低碳背景下剩余污泥厭氧共發(fā)酵產(chǎn)酸研究進展 南大鹽城環(huán)保技術(shù)與工程研究院 2024年05月09日 16:07 江蘇 以下文章來源于環(huán)境工程 ,作者環(huán)境工程 圖片 圖片

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2024-10-06  來源:文章推薦 | 陳銀廣教授團隊:低碳背景下剩余污泥厭氧共發(fā)酵產(chǎn)  瀏覽次數(shù):95
核心提示:文章推薦 | 陳銀廣教授團隊:低碳背景下剩余污泥厭氧共發(fā)酵產(chǎn)酸研究進展 南大鹽城環(huán)保技術(shù)與工程研究院 2024年05月09日 16:07 江蘇 以下文章來源于環(huán)境工程 ,作者環(huán)境工程 圖片 圖片 低碳背景下剩余污泥厭氧共發(fā)酵產(chǎn)酸研究進展 馬元元1 吳瑒1 王樸淳1 陳銀廣1,2 鄭雄1,2∗ (1. 同濟大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 污染控制與資源化研究國家重點實驗室,上海 200092;2. 上海污染控制與生態(tài)安全研究院,上海 200092) 引用格式
中國給水排水2024年城鎮(zhèn)污泥處理處置技術(shù)與應(yīng)用高級研討會(第十五屆)邀請函 (同期召開固廢滲濾液大會、工業(yè)污泥大會、高濃度難降解工業(yè)廢水處理大會)

中國給水排水2024年城鎮(zhèn)污泥處理處置技術(shù)與應(yīng)用高級研討會(第十五屆)邀請函 (同期召開固廢滲濾液大會、工業(yè)污泥大會、高濃度難降解工業(yè)廢水處理大會)
 

文章推薦 | 陳銀廣教授團隊:低碳背景下剩余污泥厭氧共發(fā)酵產(chǎn)酸研究進展

 
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低碳背景下剩余污泥厭氧共發(fā)酵產(chǎn)酸研究進展

馬元元吳瑒1 王樸淳1 陳銀廣1,2 鄭雄1,2∗

(1. 同濟大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 污染控制與資源化研究國家重點實驗室,上海 200092;2. 上海污染控制與生態(tài)安全研究院,上海 200092)

 

引用格式:馬元元,吳瑒,王樸淳,等.低碳背景下剩余污泥厭氧共發(fā)酵產(chǎn)酸研究進展[J].環(huán)境工程,2024,42(1):102-109.

 

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研究背景

隨著城鎮(zhèn)化和工業(yè)化進程的不斷推進,截至2019年底,我國剩余污泥產(chǎn)量已經(jīng)接近6000萬t(含水率80%),預(yù)計2025年將會超過9000萬t。污泥中含有大量的有機物、重金屬、病原菌等,成分復(fù)雜、含水率高、容易腐敗。2022年,國家發(fā)展和改革委員會在《污泥無害化處理與資源化利用實施方案》中提出,2025年實現(xiàn)城市污泥無害化處置率達(dá)到90%以上,大力推進污泥能源資源回收利用。傳統(tǒng)的生物處理技術(shù)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)剩余污泥的無害化和穩(wěn)定化,但是隨著“雙碳”目標(biāo)的提出,其已經(jīng)無法滿足我國低碳經(jīng)濟發(fā)展的需求。

在當(dāng)前低碳背景下,厭氧發(fā)酵被認(rèn)為是實現(xiàn)剩余污泥資源化利用的重要手段,它通過將厭氧消化控制在酸化階段,從而將有機廢物轉(zhuǎn)化為高值產(chǎn)物,如揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)、乳酸、乙醇等,具有廣泛的應(yīng)用前景,如生物脫氮除磷、生物能源。其中,VFAs作為發(fā)酵過程中的重要產(chǎn)物之一,是化學(xué)產(chǎn)品合成的重要前體物質(zhì),包括聚羥基烷酸酯(PHAs)、生物燃料等。近年來其也被用于單細(xì)胞蛋白生產(chǎn)、香料合成等領(lǐng)域。同時,有研究表明剩余污泥厭氧發(fā)酵的碳回收率可達(dá)21.2%,對實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要意義。然而,由于剩余污泥生物降解性較差、水解效率較低,嚴(yán)重抑制了其單獨厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸效能。厭氧共發(fā)酵是一種新興的發(fā)酵策略,通過將2種或2種以上的有機廢物同時發(fā)酵以提高產(chǎn)酸量。厭氧共發(fā)酵克服了剩余污泥單獨發(fā)酵的缺陷,可以有效提升生物降解性和水解效率,同時還具有稀釋潛在有毒有害物質(zhì),改變有機組成等優(yōu)點。

目前在剩余污泥厭氧共發(fā)酵研究中,主要通過加入餐廚垃圾、農(nóng)業(yè)廢棄物等有機固廢促進共發(fā)酵產(chǎn)酸效能。然而,現(xiàn)有研究對剩余污泥厭氧共發(fā)酵產(chǎn)酸的機理以及優(yōu)化調(diào)控手段等缺乏系統(tǒng)性梳理和探討。因此,本文將綜合分析剩余污泥與其他有機固廢厭氧共發(fā)酵產(chǎn)酸效能,討論工藝參數(shù)對厭氧共發(fā)酵過程的影響,提出剩余污泥厭氧共發(fā)酵產(chǎn)酸的下游應(yīng)用(詳見圖1),并從能源與經(jīng)濟的角度對剩余污泥厭氧共發(fā)酵技術(shù)進行展望,以期為剩余污泥厭氧共發(fā)酵技術(shù)的低碳化應(yīng)用提供參考。

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圖1 剩余污泥厭氧共發(fā)酵產(chǎn)酸研究進展總覽

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摘 要

低碳背景下,剩余污泥的資源化利用是實現(xiàn)污水處理廠有機固廢減污降碳協(xié)同增效的重要舉措。厭氧共發(fā)酵技術(shù)則是實現(xiàn)污泥資源化利用的最有效手段之一。通過剩余污泥與其他有機固廢厭氧共發(fā)酵產(chǎn)生的高值產(chǎn)物(如揮發(fā)性脂肪酸等)可廣泛應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)中,在實現(xiàn)污泥資源化利用的同時,降低了碳排放。然而,現(xiàn)有研究主要聚焦在剩余污泥厭氧共發(fā)酵產(chǎn)酸效能的探討,在共發(fā)酵產(chǎn)酸的機理及優(yōu)化調(diào)控手段等方面缺乏系統(tǒng)性的總結(jié)與分析。因此,基于以往研究,系統(tǒng)分析了剩余污泥與餐廚垃圾、農(nóng)業(yè)廢棄物等共發(fā)酵產(chǎn)酸效能,討論了C/N值、pH值、溫度以及污泥停留時間等工藝參數(shù)對剩余污泥厭氧共發(fā)酵過程的影響,提出了剩余污泥厭氧共發(fā)酵產(chǎn)酸的下游應(yīng)用,并從能源與經(jīng)濟角度對剩余污泥厭氧共發(fā)酵技術(shù)進行了展望,以期為剩余污泥厭氧共發(fā)酵技術(shù)的低碳化應(yīng)用提供參考。

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01 剩余污泥厭氧共發(fā)酵產(chǎn)酸效能研究現(xiàn)狀

1. 剩余污泥與餐廚垃圾厭氧共發(fā)酵產(chǎn)酸

目前,國內(nèi)外研究主要聚焦剩余污泥和餐廚垃圾厭氧共發(fā)酵產(chǎn)酸過程。餐廚垃圾作為一種高生物降解性、非均質(zhì)、低堿度的有機固體廢棄物,其在厭氧共發(fā)酵過程中能夠提升底物的C/N值,促進發(fā)酵產(chǎn)酸過程。同時,污泥的高緩沖能力能夠維持適宜pH值,防止產(chǎn)酸過程中pH值過低導(dǎo)致功能細(xì)菌代謝活性受到抑制。表1總結(jié)了剩余污泥與常見的餐廚垃圾厭氧共發(fā)酵產(chǎn)酸效能。與剩余污泥單獨發(fā)酵相比,剩余污泥和餐廚垃圾共同發(fā)酵的產(chǎn)酸量更高,且其產(chǎn)酸量與餐廚垃圾占比呈正相關(guān)。例如,Vidal-Antich等研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)餐廚垃圾的占比從0%提高到50%時,總酸產(chǎn)量由95mg COD/gVS提高至489mg COD/gVS,該結(jié)果與Ma等的研究相近,均發(fā)現(xiàn)VFAs的產(chǎn)率隨著餐廚垃圾占比的提升而增加。該研究還發(fā)現(xiàn),隨著餐廚垃圾的引入,產(chǎn)酸菌的豐度迅速增加,表明有機質(zhì)的引入為微生物提供了富足的營養(yǎng)條件,從而提升了功能微生物的豐度,最終促進了底物發(fā)酵產(chǎn)酸過程。同時餐廚垃圾中的易生物降解底物可能是共發(fā)酵產(chǎn)酸量的主要貢獻(xiàn)者。

表1 剩余污泥與餐廚垃圾厭氧共發(fā)酵的產(chǎn)酸效能

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餐廚垃圾的引入除了顯著提升共發(fā)酵體系的產(chǎn)酸量外,還會影響VFAs的組成。Vidal-Antich等的研究表明,剩余污泥與魚肉等富含蛋白質(zhì)的餐廚垃圾厭氧共發(fā)酵產(chǎn)物以乙酸、丁酸為主,而與大米等富含碳水化合物的餐廚垃圾共發(fā)酵主要生成乙酸、丙酸、正丁酸。而Ma等的報道則和上述研究結(jié)果有很大不同,他們發(fā)現(xiàn)淀粉類物質(zhì)會促進丁酸和乙醇的生成,脂類和蛋白質(zhì)則有利于丙酸和戊酸的合成,該結(jié)果由底物特性差異導(dǎo)致功能微生物分布差異所致。其中,淀粉含量高的原料會使得厭氧桿菌(Anaerobacillus)、梭菌(Clostridium)、雙芽孢桿菌(Amphibacillus)等微生物富集;而隨著原料中脂質(zhì)含量的增加,哈夫尼亞屬(Hafnia)、布羅絲菌屬(Brochothrix)和明串珠菌屬(Leuconostoc)豐度顯著提升。Bevilacqua等和Peces等的研究也得到了類似結(jié)論,這也說明了實際發(fā)酵產(chǎn)物預(yù)測的復(fù)雜性。此外,有研究進一步發(fā)現(xiàn),富含碳水化合物的食物垃圾作為共發(fā)酵底物時產(chǎn)生的VFAs量最高(順序為小麥>玉米>大米>豆類>肉類),該結(jié)果可能是由于肉類和豆類相較于碳水化合物更難降解所致。因此,未來需要進一步探究餐廚垃圾組分對剩余污泥厭氧共發(fā)酵的影響及作用機制。

2. 剩余污泥與農(nóng)業(yè)廢棄物厭氧共發(fā)酵產(chǎn)酸

隨著社會對于農(nóng)產(chǎn)品需求的不斷增加,大量農(nóng)業(yè)廢棄物也隨之產(chǎn)生。與餐廚垃圾相比,農(nóng)業(yè)廢棄物中含有大量難生物降解物質(zhì)(如纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等),水解速率較慢,單獨發(fā)酵效率低下。而剩余污泥中豐富的功能微生物將有助于提升農(nóng)業(yè)廢棄物的水解速率,從而促進發(fā)酵產(chǎn)酸效能。已有文獻(xiàn)報道了水稻、玉米秸稈、指甲花植物以及黑麥草等多種農(nóng)業(yè)廢棄物與剩余污泥厭氧共發(fā)酵產(chǎn)酸的效能(表2)。例如,Yin等利用剩余污泥與富含木質(zhì)纖維素的生物質(zhì)(銀杏葉、草)共發(fā)酵評估中鏈脂肪酸的生產(chǎn)效能,發(fā)現(xiàn)己酸的產(chǎn)量顯著提升。其中,污泥與草共發(fā)酵時己酸產(chǎn)量最高(89.5mmol C/L),比各自單獨發(fā)酵分別提高了18.0%和41.7%;而污泥與銀杏葉共發(fā)酵時可產(chǎn)生63.8mmol C/L己酸,比單獨發(fā)酵分別提高了11.1%和1.03%。產(chǎn)酸效能提升不顯著原因可能是木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)可以抵抗發(fā)酵過程中的酶促攻擊,從而降低自身水解以及生物降解速率。因此,農(nóng)業(yè)廢棄物在厭氧共發(fā)酵前通常需要經(jīng)過熱、堿、機械等預(yù)處理,其環(huán)境經(jīng)濟效益還需進一步評估。

表2 剩余污泥與農(nóng)業(yè)廢棄物厭氧共發(fā)酵產(chǎn)酸效能

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為了解決上述問題,細(xì)胞外氧化還原介質(zhì)(一種次生代謝物)被報道可以作為電子穿梭系統(tǒng)來改善功能酶的活性,從而提升木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的水解速率。指甲花作為一種富含碳水化合物的植物生物質(zhì),其體內(nèi)含有豐富的基于醌基團的細(xì)胞外氧化還原介質(zhì),因此可以對剩余污泥共發(fā)酵產(chǎn)酸產(chǎn)生積極影響。Huang等研究發(fā)現(xiàn),將剩余污泥與指甲花進行共發(fā)酵處理時,VFAs產(chǎn)量約為剩余污泥單獨發(fā)酵的2.6倍。同時,當(dāng)指甲花的占比從25%增加到75%時,VFAs產(chǎn)量提升了1倍,進一步探究發(fā)現(xiàn),指甲花酮(指甲花的次生代謝物)在發(fā)酵過程中能夠快速釋放到液相中并被有機質(zhì)吸附,隨后通過自身電子穿梭系統(tǒng)強化表面生物質(zhì)的水解和氧化,以此促進發(fā)酵進程。此外,指甲花酮甚至還能抑制發(fā)酵系統(tǒng)中產(chǎn)甲烷菌活性,從而減少發(fā)酵過程中VFAs的消耗。該結(jié)果也說明了農(nóng)作物和一些植物的次生代謝物如酚、生物堿、萜烯、類固醇等可能在促進剩余污泥共發(fā)酵產(chǎn)酸方面具有一定潛力。

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02 剩余污泥厭氧共發(fā)酵產(chǎn)酸的影響因素

1. C/N值

剩余污泥是一種含氮量高、生物降解性低的基質(zhì),其C/N值通常為6~9。有研究表明將C/N值調(diào)節(jié)至20/1~30/1能夠提升厭氧發(fā)酵細(xì)菌的代謝能力。通過引入其他有機固廢有助于提升C/N值,從而促進厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸。例如,Jia等研究剩余污泥與農(nóng)業(yè)廢棄物厭氧共發(fā)酵時發(fā)現(xiàn),當(dāng)C/N值為18/1、20/1、22/1時VFAs產(chǎn)量較高,與Rughoonundun等以及Xia等報道的最佳C/N值范圍一致。同時,在最佳C/N值條件下,蛋白質(zhì)和難降解碳水化合物(纖維素、木質(zhì)素)的降解程度更高,這可能是由于產(chǎn)酸功能酶在最佳C/N值下的活性更高所致。Chen等在利用餐廚垃圾作為厭氧共發(fā)酵底物時也發(fā)現(xiàn),當(dāng)發(fā)酵系統(tǒng)的C/N值為22時,微生物和功能酶的代謝活性相對較高。此外,C/N值還會影響VFAs的組分分布。有研究發(fā)現(xiàn),隨著C/N值的升高,發(fā)酵產(chǎn)物中丁酸比例顯著上升,而丙酸積累明顯下降。因此,C/N值是影響剩余污泥厭氧共發(fā)酵的關(guān)鍵參數(shù),未來還應(yīng)進一步探討C/N值對剩余污泥厭氧共發(fā)酵產(chǎn)酸的作用機制,從而有效調(diào)控產(chǎn)酸量和產(chǎn)物分布。

2. pH值

pH值是影響剩余污泥厭氧共發(fā)酵產(chǎn)酸量和產(chǎn)物組成的重要因素之一。Feng等探究了pH值對剩余污泥與餐廚垃圾共發(fā)酵產(chǎn)酸的影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)pH值為8和9時VFAs產(chǎn)量最高,該結(jié)果可能與功能菌在該pH范圍內(nèi)代謝活性較高有關(guān)。Xin等則發(fā)現(xiàn)在氧化還原電位的作用下,pH值為6.5~7.5是剩余污泥厭氧共發(fā)酵的最佳產(chǎn)酸范圍。進一步研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)發(fā)酵pH值控制在6~9時,發(fā)酵產(chǎn)物以丙酸、乙酸和正丁酸為主;而當(dāng)pH值控制在10~11時,乙酸占比最高,該結(jié)果與Moretto等的研究一致,主要原因是pH會顯著影響發(fā)酵過程中微生物的活性及群落結(jié)構(gòu)。當(dāng)pH過低時,水解和酸化細(xì)菌的活性會受到強烈抑制,從而降低了VFAs生物合成效能。同時,上述研究也發(fā)現(xiàn)在pH6~8內(nèi),剩余污泥與碳水化合物共發(fā)酵系統(tǒng)中,具有產(chǎn)乙酸和丙酸能力的微生物(梭狀芽胞桿菌(Clostridia)、β-變形桿菌(β-Proteobacteria)、擬桿菌(Bacteroidetes)等)顯著富集,而這些優(yōu)勢菌屬的形成將大大促進發(fā)酵產(chǎn)酸過程。總之,中性和偏堿性pH值有利于剩余污泥共發(fā)酵產(chǎn)酸,然而由于發(fā)酵產(chǎn)物的酸性特質(zhì),隨著發(fā)酵的進行pH值會逐漸降低,因此需要大量化學(xué)物質(zhì)來維持中性或偏堿性條件。這不僅會提升操作成本和工藝復(fù)雜性,同時堿性化學(xué)物質(zhì)因其鹽度含量較高還可能限制發(fā)酵殘渣作為肥料使用。因此,未來還需要進一步探究更多的pH調(diào)控方式。

3. 溫 度

溫度可通過影響生化反應(yīng)(如酶活性、微生物生長、代謝速率等)以及物理化學(xué)過程(如傳質(zhì)、化學(xué)平衡、氣體溶解度等)等,從而影響共發(fā)酵產(chǎn)酸效能。Chen等結(jié)合模型分析探究了溫度對于剩余污泥與餐廚垃圾共發(fā)酵產(chǎn)酸的影響,實驗結(jié)果和預(yù)測結(jié)果均證實當(dāng)溫度為37℃時,系統(tǒng)可達(dá)最大VFAs產(chǎn)量692.40mg COD/g VS。Moretto等也發(fā)現(xiàn),以餐廚垃圾作為共發(fā)酵底物時,中溫條件(35℃)下共發(fā)酵產(chǎn)酸量最高。進一步研究發(fā)現(xiàn),溫度在20℃與35℃時主要產(chǎn)物為乙酸和丙酸,而當(dāng)溫度提升至50℃和60℃時,產(chǎn)物中乳酸占比相對較高。因此,通過控制剩余污泥共發(fā)酵過程中的溫度條件,可以有效調(diào)節(jié)產(chǎn)酸量和產(chǎn)物分布。盡管高溫條件有助于提升有機質(zhì)的增溶效率,但也會抑制部分種類功能細(xì)菌的活性,從而影響共發(fā)酵產(chǎn)酸效能。因此,未來可進一步探討中溫及低溫條件對于剩余污泥厭氧共發(fā)酵產(chǎn)酸的作用機制。

4. 污泥停留時間

污泥停留時間(SRT),也稱污泥齡,是指污泥從進入反應(yīng)器到完全排出所需的時間,其影響著功能微生物群落平衡。Chen等發(fā)現(xiàn)在SRT為6d 時,剩余污泥和餐廚垃圾厭氧共發(fā)酵可達(dá)最大的VFAs產(chǎn)量。Wu等的研究證實了相同的結(jié)論,并且發(fā)現(xiàn)SRT過長會導(dǎo)致VFAs發(fā)生進一步轉(zhuǎn)化,而SRT過短,則會導(dǎo)致有機物未被轉(zhuǎn)化成VFAs就已經(jīng)被排出。此外,在剩余污泥與農(nóng)業(yè)廢棄物共發(fā)酵體系中,Guo等發(fā)現(xiàn)在SRT為8d時,厭氧共發(fā)酵的VFAs產(chǎn)量達(dá)到最大值;同時系統(tǒng)中有機負(fù)荷隨著SRT的降低而增加,而發(fā)酵液中可溶性碳水化合物的濃度隨著SRT的降低而降低。因此,在剩余污泥厭氧共發(fā)酵過程中,通過優(yōu)化SRT可以有效提升VFAs產(chǎn)量。實際運用中剩余污泥厭氧共發(fā)酵過程可能受到多種因素協(xié)同作用,未來仍需探究多種因素之間相互作用機制,從而更好地優(yōu)化調(diào)控工藝參數(shù)。

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03 剩余污泥厭氧共發(fā)酵產(chǎn)酸的下游應(yīng)用

1. 作為碳源強化污水廠污染物生物處理

針對我國城鎮(zhèn)污水氮磷污染去除問題,傳統(tǒng)污水生物處理工藝通常需要額外投加碳源以強化生物脫氮除磷效能。然而,常規(guī)投加的碳源(如葡萄糖)成本高昂,而厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的VFAs被認(rèn)為是污水生物處理的可替代碳源。圖2a為剩余污泥厭氧共發(fā)酵產(chǎn)酸強化污水廠生物脫氮除磷的路線。Pang等發(fā)現(xiàn),剩余污泥厭氧共發(fā)酵系統(tǒng)的碳源釋放量可達(dá)1785.7mg/L,其中總可溶性碳源以乙酸為主(44.4%~83.9%),生物可利用碳的回收率可達(dá)38.0%,該結(jié)果充分體現(xiàn)共發(fā)酵液的生物可利用性。同時有研究表明,VFAs含量的升高可促進微生物反硝化脫氮能力。而對于除磷工藝而言,以VFAs為碳源的生物除磷工藝比化學(xué)除磷工藝更具成本優(yōu)勢。相比于剩余污泥單獨發(fā)酵,共發(fā)酵顯著提升了VFAs產(chǎn)量,有助于進一步推動以VFAs作為碳源提升生物脫氮除磷效能,從而強化其在污水生物處理中的應(yīng)用前景。

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圖2 剩余污泥厭氧共發(fā)酵產(chǎn)酸下游應(yīng)用

2. 作為原料進行聚羥基烷酸酯生物合成

近年來,聚羥基烷酸酯(PHAs)作為一種新型環(huán)保材料備受矚目。由于其與傳統(tǒng)的衍生塑料在結(jié)晶度、抗張強度、熔點等方面的相似特性,以及本身具有的良好光學(xué)活性、壓電性及生物可降解性等,因而被認(rèn)為是傳統(tǒng)塑料的優(yōu)良替代品,然而高昂的生產(chǎn)成本限制了其推廣應(yīng)用。傳統(tǒng)的PHAs生產(chǎn)工藝通常采用純菌培養(yǎng),該工藝對于滅菌要求高,后續(xù)加工處理還會進一步提升生產(chǎn)成本。由于PHAs生產(chǎn)中約50%的成本來源于底物,因此利用VFAs作為PHAs合成的前體物質(zhì)成為經(jīng)濟性生產(chǎn)的可行選擇(圖2b)。例如,Moretto等利用剩余污泥與餐廚垃圾厭氧共發(fā)酵產(chǎn)生的VFAs制備PHAs,結(jié)果表明與單獨發(fā)酵的上清液相比,共發(fā)酵的上清液有助于提升PHAs合成系統(tǒng)的碳負(fù)荷,從而提升了PHAs的積累量。Lanfranchi等通過將剩余污泥與蔬菜進行共發(fā)酵,也發(fā)現(xiàn)共發(fā)酵液實現(xiàn)了高效的PHAs生產(chǎn)(0.37g/g)。因此,剩余污泥厭氧共發(fā)酵生成的VFAs可有效提升PHAs產(chǎn)量并降低合成成本,但其所帶來的環(huán)境影響仍需進一步評估。

3. 作為底物促進微生物燃料電池能源回收

微生物燃料電池(MFC)是一種利用電活性微生物氧化有機物,將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的新型低碳技術(shù)。在MFC中,微生物通過氧化有機物產(chǎn)生電子,電子通過外電路傳遞從而產(chǎn)生電能,同步實現(xiàn)了污染物降解和產(chǎn)能需求。有研究表明,將剩余污泥厭氧共發(fā)酵產(chǎn)生的VFAs用作MFC系統(tǒng)中的有機底物,是經(jīng)濟有效的選擇(圖2c)。例如,Chen等將剩余污泥與餐廚垃圾共發(fā)酵產(chǎn)生的發(fā)酵液用于MFC中,發(fā)現(xiàn)相比使用剩余污泥單獨發(fā)酵上清液,共發(fā)酵上清液作為底物時產(chǎn)電能力顯著提升,可能是由于共發(fā)酵上清液中乙酸含量較高,其被報道是MFC中電活性微生物的首選底物。Du等也發(fā)現(xiàn)當(dāng)剩余污泥和餐廚垃圾以1∶4(質(zhì)量比)的比例混合時,利用共發(fā)酵液的MFC系統(tǒng)的庫倫效率從6.1%提升到了31.3%。盡管將共發(fā)酵產(chǎn)生的VFAs用作MFC系統(tǒng)底物可以有效降低運行成本,但是較低的產(chǎn)電效率限制了其進一步推廣和發(fā)展,未來仍需進一步優(yōu)化剩余污泥厭氧共發(fā)酵產(chǎn)酸效能以及MFC裝置結(jié)構(gòu)。

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04 總結(jié)與展望

共發(fā)酵技術(shù)是提升剩余污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸效能的重要途徑。目前已開展了剩余污泥和多種有機固廢厭氧共發(fā)酵產(chǎn)酸研究,包括餐廚垃圾、農(nóng)業(yè)廢棄物等。綜合分析已有研究結(jié)果,剩余污泥厭氧共發(fā)酵一般在中性pH值附近,SRT6~8d以及中溫條件下達(dá)到最大VFAs產(chǎn)量。然而由于不同底物性質(zhì)及實驗條件的差異,最佳發(fā)酵條件還需要通過進一步確定。未來可以從以下方面進行深入探究:

1)不同底物對剩余污泥厭氧共發(fā)酵產(chǎn)酸的影響機制。共發(fā)酵技術(shù)的目的是為了提升系統(tǒng)的可生物降解性從而促進發(fā)酵產(chǎn)酸過程,然而不同共發(fā)酵底物的組成成分、原生微生物群落等均不相同,因此需要深入探究不同底物對于污泥共發(fā)酵過程的影響機制,從而優(yōu)化調(diào)控污泥厭氧共發(fā)酵產(chǎn)酸效能。

2)全面解析剩余污泥厭氧共發(fā)酵各影響因素之間的相互作用關(guān)系。污泥厭氧共發(fā)酵過程受到多種因素的共同影響,目前大多數(shù)研究仍停留在單因素分析,各影響條件之間的相互作用關(guān)系尚不明晰。

3)綜合評估厭氧共發(fā)酵工藝與下游應(yīng)用相耦合的經(jīng)濟性和可行性。盡管目前針對共發(fā)酵產(chǎn)物應(yīng)用于生物技術(shù)和產(chǎn)品生產(chǎn)已開展了相關(guān)研究,但是對于耦合工藝的環(huán)境經(jīng)濟效益仍缺乏全面系統(tǒng)評估。

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陳銀廣,同濟大學(xué)環(huán)境學(xué)院教授,主要從事污染控制與資源化的研究。以第一或通訊作者在國內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文100余篇;主持了國家重大專項、國家杰出青年基金、國家863等國家級項目;2014年以來一直入選中國高被引學(xué)者榜單(環(huán)境類);擔(dān)任《環(huán)境工程》編委、Water Research期刊Associate editor。

 

 
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中國水業(yè)院士論壇-中國給水排水直播平臺(微信公眾號cnww1985):自然—社會水循環(huán)與水安全學(xué)術(shù)研討會 WaterInsight第7期丨掀浪:高鐵酸鉀氧化技術(shù)的機理新認(rèn)知及應(yīng)用 直播時間:2023年8月5日(周六)上午10:00-11:00 2023-08-05 10:00:00 開始
直播:“一泓清水入黃河”之山西省再生水產(chǎn)業(yè)化發(fā)展專題講座 直播時間:2023年7月23日(周日 )08:00-12:00 2023-07-23 08:00:00 開始 珊氮自養(yǎng)反硝化深度脫氮技術(shù)推介會 直播時間:2023年7月21日(周五)
歐仁環(huán)境顛覆性技術(shù):污水廠擴容“加速跑”(原有設(shè)施不動,污水處理規(guī)模擴容1倍!出水水質(zhì)達(dá)地表水準(zhǔn)IV類標(biāo)準(zhǔn)。苿游鬯卫硖豳|(zhì)增效。  誠征全國各地污水廠提標(biāo)擴容工程需求方(水務(wù)集團、BOT公司、設(shè) 直播預(yù)告|JWPE網(wǎng)絡(luò)報告:自然系統(tǒng)中難降解污染物去除的物化與生化作用及水回用安全保障 中國給水排水
直播題目: 高排放標(biāo)準(zhǔn)下污水中難降解COD的去除技術(shù)     報告人:蘇伊士亞洲 技術(shù)推廣經(jīng)理 程忠紅 WaterTalk|王凱軍:未來新水務(wù) 一起向未來  For and Beyond Water 中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會水處理與回用專業(yè)委員會以網(wǎng)絡(luò)會議形式舉辦“水與發(fā)展縱論”(WaterTalk)系列學(xué)術(shù)報
5月18日下午 14:00—16:00 直播  題目: 高密度沉淀池技術(shù)的迭代更新 主講人: 程忠紅 蘇伊士亞洲 技術(shù)推廣經(jīng)理  大綱:  高密池技術(shù)原理 不同型號高密池的差異和應(yīng)用區(qū)別 高密池與其他 BEST|綠色低碳科技前沿與創(chuàng)新發(fā)展--中國工程院院士高翔教授  直播時間:2023年4月30日 14:00—16:00 2023-04-30 14:00:00 開始
日照:“碳”尋鄉(xiāng)村振興“綠色密碼”  鳳凰網(wǎng)山東    鄉(xiāng)村生態(tài)宜居,鄉(xiāng)村振興的底色才會更亮。我市堅持鄉(xiāng)村建設(shè)與后續(xù)管護并重,市、區(qū)、鎮(zhèn)聯(lián) BEST論壇講座報告第十三期(cnwww1985):全球碳預(yù)算和未來全球碳循環(huán)的不穩(wěn)定性風(fēng)險 The global carbon budget and risks of futur
國際水協(xié)IWA 3月17日直播:3月17日 國際水協(xié)IWA創(chuàng)新項目獎PIA獲獎項目介紹分享會 直播時間:2023年3月17日 9:00—11:30 2023-03-17 09:00:00 開始 中國給水排水直播:云中漫步-融合大數(shù)據(jù)、人工智能及云計算的威立雅智慧水務(wù)系統(tǒng)Hubgrade 直播時間:2023年3月15日
中國給水排水直播平臺會議通知 | 2023污泥處理處置技術(shù)與應(yīng)用高峰論壇(清華大學(xué)王凱軍教授團隊等) 中國污水千人大會參觀項目之一: 云南合續(xù)環(huán)境科技股份有限公司  海口市西崩潭水質(zhì)凈化中心
中國給水排水 Water Insight直播:劉銳平  清華大學(xué) 環(huán)境學(xué)院 教授 博士生導(dǎo)師—高濃度硝酸鹽廢水反硝化脫氮過程強化原理與應(yīng)用 會議時間:2023.1.7(周六)10:00—11:00 智慧水務(wù)的工程全生命周期實踐分享 直播時間:2023年1月6日 15:00-16:00 對話嘉賓:竇秋萍  華霖富水利環(huán)境技術(shù)咨詢(上海)有限公司  總經(jīng)理 主持人:李德橋   歐特克軟件(中國)有限
蘇伊士 直播時間:12月30日14:00-16:00直播題目:污泥處理處置的“因地制宜和因泥制宜” 主講人:程忠紅,蘇伊士亞洲  技術(shù)推廣經(jīng)理 特邀嘉賓:劉波 中國市政工程西南設(shè)計研究總院二院總工 教 蘇伊士 直播時間:12月27日14:00-16:00;復(fù)雜原水水質(zhì)下的飲用水解決方案    陳智,蘇伊士亞洲,技術(shù)推廣經(jīng)理,畢業(yè)于香港科技大學(xué)土木與環(huán)境工程系,熟悉市政及工業(yè)的給水及污水處理,對蘇伊士
曲久輝  中國工程院院士,美國國家工程院外籍院士,發(fā)展中國家科學(xué)院院士;清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院特聘教授、博士生導(dǎo)師;中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心研究員 基于模擬仿真的污水處理廠數(shù)字化與智慧化:現(xiàn)狀與未來 直播時間:2022年12月28日(周三)9:30—12:00
2022城鎮(zhèn)溢流污染控制高峰論壇|聚焦雨季溢流污染控制的技術(shù)應(yīng)用與推廣 中國給水排水 王愛杰 哈爾濱工業(yè)大學(xué)教授,國家杰青,長江學(xué)者,國家 領(lǐng)軍人才:廣州大學(xué)學(xué)術(shù)講座|低碳水質(zhì)凈化技術(shù)及實踐 直播時間:2022年12月18日 9:30
國際水協(xié)會哥本哈根世界水大會成果分享系列網(wǎng)絡(luò)會議 直播時間:2022年12月15日 20:00—22:00 德國專場直播主題:2022 中國沼氣學(xué)術(shù)年會暨中德沼氣合作論壇 2022 中國沼氣學(xué)術(shù)年會暨中德沼氣合作論壇德國專場 時間:2022年12月20日  下午 15:00—17:00(北京時間)
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