本篇报道围绕2017年上海市科学技术奖技术发明奖 一等奖项目《污水厂污泥高效生物稳定化处理与资源化利用关键技术研发及其应用》展开，该奖项由同济大学环境科学与工程学院院长戴晓虎教授领衔的团队获得。
废物？宝物？污泥就是这样让人爱恨纠葛的矛盾体。
作为污水处理的产物，污泥含有致病微生物、有机污染物、重金属等，多数污泥面临着脱水+填埋或不知去向的命运。截至2017年12月底，全国城镇污水厂5 027座，年产生污泥5 000多万吨，但其无害化处理率仅20%～30%。随意的处置更加加重了环境的污染，污泥在人们的忽视中逐渐成为“城市之殇”。
然而，污泥中也含有丰富的氮、磷、钾等资源，如果利用得当，将产生可观的经济和环境价值。以磷为例，三磷酸腺苷是细胞能量物质，磷对于生命的代谢生长具有重要作用，而磷是一种不可再生资源。国外有媒体预测，地球上的磷矿将在未来50年消耗殆尽。荷兰、德国、日本等国家很早就开始着手磷资源的循环利用，他们发现从集中了污水中90%磷的污泥中回收磷将成为应对磷矿资源危机的有效途径。荷兰Amersfoort污水处理厂利用Pearl?技术处理含高磷和氨氮浓度的脱水污泥上清液，生产鸟粪石，作为农业肥料原料。荷兰2016年通过污泥回收了约4万吨磷，相当于农业化肥中磷用量的10%。我国虽然磷矿资源相对比较丰富，但是也要“未雨绸缪”。
污泥还能用于园林绿化、土壤修复改良、建筑材料等。美国将污泥堆肥后，作为有机肥利用于果林，起到了良好的种植效果。在建材利用方面，日本一直走在前列，利用污泥的焚烧灰制砖。为了打通污泥建材利用的出路，日本先后建造一些“生态水泥厂”，同时配套一系列措施，包括降低企业初期投资成本，为“生态水泥”提供低价优先采购政策等。
我国在污泥资源化利用方面仍有很长一段路要走。首先是我国的排水管网由于雨污混接、泥砂冲刷等问题，污泥的有机质含量低于国外，而污泥中又存在卤代物、有机污染物、重金属等物质，部分专家认为为了这点效益冒安全风险并不值当。其次，我国资源化利用的园林、农业部门和污水处理的市政部门属于不同的管理系统，利益链条难以打通。污泥产品又由于成本偏高、产品不成熟，难以形成市场通路，污泥产品无法消纳。
尽管困难重重，科研人员并没有放弃努力。除了推进相关政策管理机制问题的解决，他们也在追寻更加完善的污泥处理技术，让污泥在成品或者进入环境前实现无害化、减量化和稳定化。
污泥处理技术
污泥的处理是一场“变废为宝”的“修行”，它的处理方式由污泥的“变废为宝”的去向、出路决定，通常有污泥浓缩、脱水、干化焚烧、消化、发酵等。
污泥的浓缩主要是通过减少间隙水降低污泥“膨胀”的体积，便于后续厌氧消化等处理方式的开展。我国常用的污泥浓缩方法是重力浓缩和浮选浓缩。
污泥脱水旨在进一步降低污泥含水率，这一过程依赖污泥机械脱水设备，但是，目前使用的脱水设备还会存在高能耗和高药剂投加量等问题。
焚烧是通过高温热处理脱水污泥实现相对彻底的无害化，需要解决的问题在于如何减少焚烧引起的二噁英等污染物排放。
厌氧消化是利用厌氧性微生物将污泥内的有机成分转化成甲烷和二氧化碳，有效地降解易腐有机物，提高污泥脱水率，实现污泥稳定化的同时还能回收能源。
好氧发酵是利用嗜热菌的作用，分解污泥中有机物，进而转化为稳定的腐殖质。处理后的污泥能够满足园林绿化和土壤改良需要，甚至能够达到严格的农用标准。目前该工艺还会存在发酵周期长、占地面积大、臭气排放、含水量大、运行费用高等问题。
好氧发酵和厌氧消化是两种应用较为成熟的污泥稳定化技术，是污泥进行“变废为宝”脱变的重要手段，在发达国家应用率超过60%。这其中特别强调的是厌氧消化技术，无论从循环经济还是从可持续发展角度，都值得我们更多的关注。
我国厌氧消化技术突破
我国的污泥泥质差，有机质含量低，泥沙含量高，而泥量又大，国外的技术进口到国内往往会因为“水土不服”而“失灵”。当下，我国厌氧消化普及率很低，仅为3%，2016年全国约有4 000座污泥处理厂，其中60座采用厌氧消化设备，核心装备进口率高达70%以上，但目前能够连续运转的不到20座。
因此，我们迫切需要创新实现厌氧消化技术“国产化”。为此，大量国内科技人员前赴后继，对污泥厌氧消化技术进行大量的创新研发和技术攻关，包括：研究热水解、酶解、微波、超声波等预处理手段，以提高厌氧过程的水解酸化速率；开发高温消化、延时消化等高级厌氧消化技术，提高挥发性固体的负荷降解率。这些技术成果在国内实际工程应用中也确实取得了一定的成效，例如：长沙黑糜峰污泥高级厌氧消化工程和北京高碑店污水处理厂等均采用了热水解预处理技术；镇江协同处理示范工程进行污泥与含有机质较高的餐厨垃圾协同消化，提高产气效率；北京槐房污泥处理处置中心采用高温预处理厌氧消化技术。
其中，同济大学环境科学与工程学院院长戴晓虎团队在污泥的厌氧消化技术研发及其应用方面就取得了关键的成果。据了解，戴晓虎具有18年德国公司工程技术开发研究及工程转化经验，长期从事污泥处理及资源化综合利用，研究有机垃圾与污泥组合再生能源利用技术。
国内污泥实现资源化利用，是戴晓虎坚定的信念，他曾表示：“资源化是污泥处理处置的必然选择之一，稳定化则是污泥利用的核心。”
针对我国厌氧消化技术中有机质转化率低、设施处理负荷低、工程运行效益低这三大瓶颈问题，戴晓虎带领团队开展了大量的技术攻坚。历经8年，该团队终于获得突破：首次建立了适用于我国泥质特点的污泥高级厌氧消化技术路线，为我国污泥、餐厨垃圾等有机废物的资源化处理与安全处置提供了新出路。
水热活化预处理
从成因出发，戴晓虎团队对我国泥质性质、理化特征开展了大量基础研究工作。该团队发现我国污泥中细砂粒的含量高，粒度＜200 μm的颗粒含量在90%以上。这会使得污泥胞外聚合物（EPS）蛋白-微细砂形成超分子结合体，酶可结合位点减少，表面位点密度下降和表观活化能上升，最终造成污泥厌氧转化困难重重。因此，要想提升污泥的厌氧消化效能，有效的途径就是破坏这种聚合体结构。
找到根源，对症下药，戴晓虎团队发明了水热预处理技术，开发出罐式污泥浆化降粘耦合热水解预处理成套装备，促进污泥中有机质溶出，降低污泥黏度，将污泥降解率提高15%，解决了厌氧消化有机质转化率低的问题。同时，该技术还能起到消毒和灭菌的效果。
长沙市污水处理厂污泥集中处置工程是该技术的首次探索应用，日处理规模为500吨，采用“污泥热水解+高含固厌氧消化+脱水+干化”工艺。该工程中污泥有机质降解率提高了30%以上，甲烷产率提高40%以上，使我国典型低有机质污泥的厌氧转化率达到国外高有机质污泥的技术水平。
上海同济普兰德生物质能股份有限公司热水解系统
高含固厌氧消化技术
污泥中含氮物质在微生物的作用下会降解成小分子的氨氮，其中游离态氨因为是疏水分子，进入微生物细胞后，会对细胞产生毒害作用，从而抑制厌氧消化的效率。研究表明，这种毒害作用在高含固厌氧消化系统（含固率＞10%）中表现得尤为明显。为了攻克高含固消化设施处理负荷低的难题，戴晓虎团队开发了pH调控游离氨、水解降粘、搅拌传质等高含固调控关键技术，影响菌落种类结构、调节游离氨浓度，以改善高含固消化系统的产气性能。
该项目的成果已经应用于郑州等污泥处理示范项目，应用规模达3 000 t/d，应用效果表明：可使现有消化设施的含固率由国外主流的5%提升至10%以上，处理负荷率提高1倍，从2 kgVS/（m3·d）提高到4 kgVS/（m3·d）以上，超过了国外主流技术3 kgVS/（m3·d）的技术水平。
污泥与餐厨垃圾等协同消化
戴晓虎团队也清楚地认识到我国污泥有机质含量较低，自身厌氧消化沼气产率相对较低，经济效益无法自足的问题，但如果与有机质含量较高的餐厨垃圾协同处理可能是一个双赢的出路。
戴晓虎领衔团队研究发现“餐厨+污泥”这个组合对于厌氧消化的稳定性和沼气的产量提升都有良好的帮助。但是，在餐厨垃圾厌氧消化过程中，有机酸会快速积累，导致反应体系pH降低，抑制产甲烷菌的活性，影响反应效率。
团队利用污泥水解速率慢的特性调控解决了餐厨垃圾厌氧消化易酸化、盐抑制的难题，创新开发了多有机质协同消化调控技术，在不增加池容的前提下，使污泥消化设施可同时消纳等量的餐厨垃圾，显著提高工程运行效益。使用这种高级协同厌氧消化技术，1吨高固污泥能生产出1.75～3.10 m3的沼气。
成果应用于我国首座采用高含固技术的镇江污泥与餐厨协同处理处置项目（260 t/d），消化设施的甲烷产率提高1倍以上。项目采用的工艺流程为“热水解预处理+高固体厌氧消化+脱水+干化”。
为此戴晓虎领衔的《污水厂污泥高效生物稳定化处理与资源化利用关键技术研发及其应用》项目荣获2017年上海市科学技术奖技术发明一等奖。除此以外，相关研究荣获国内多个重量级奖项，其中“一种高含固生物污泥连续热水解装置与方法”获得第十八届专利优秀奖；2020年12月，“污泥全链条资源化处理处置关键技术与应用”项目获得2020年度环境保护科学技术奖一等奖。
该研究团队并不局限于科研成果，更加重视科研转化。目前，成果已遍地开花，在长沙、镇江、郑州、大连、秦皇岛、中山、宁波等地得到推广应用，总规模已经超过100万吨/年，回收沼气4 000万立方米/年，CO2减排8万吨/年，成功打破了该领域内国外技术垄断的情况。
面对气候变化、能源短缺问题，未来我国将更加重视生态文明建设和绿色高质量发展，绿色、循环、低碳是技术创新的方向。污泥资源化是挑战，也是机遇。相信在我国广大污泥从业人员的付出和努力下，我国在固废资源化方向将会走出中国特色的技术路线。
本文由上海市“科技创新行动计划”科普项目 （19DZ2332500）资助