全鏈條式污泥分級分質資源化-產能-建材利用技術.pdf

1、周愛娟 太原理工大學 18636809767中國給水排水中國給水排水20232023年中國城鎮污泥處理處置技術與應用高級研討會年中國城鎮污泥處理處置技術與應用高級研討會全鏈條式污泥分級分質資源化全鏈條式污泥分級分質資源化-產能產能-建材利用技術建材利用技術Efficient cascading recovery of value-added resources-energy-green building materials from municipal sludgeRECYCLINGWASTE ACTIVATED SLUDGE H2H2CH4H2污染物定向轉化與資源化利用團隊介紹p 研究團隊研

2、究團隊共共6565人人，其中教師，其中教師1212人，研究生人，研究生5353人；人；p 教師團隊教師團隊高級職稱高級職稱7 7人（教授人（教授2 2名），具有博士學位名），具有博士學位1212人，人，博士后經歷博士后經歷8 8人。人。1 1污染物定向轉化與資源化利用團隊污染物定向轉化與資源化利用團隊科研簡介科研簡介污染物定向轉化與資源化利用符合國家污染物定向轉化與資源化利用符合國家“十四五十四五”發展規劃、雙碳目標、污水資發展規劃、雙碳目標、污水資源化利用相關戰略的指導方針。源化利用相關戰略的指導方針。團隊承擔國家級項目團隊承擔國家級項目10余項，省部級項目余項，省部級項目30余項；發表學術

3、論文余項；發表學術論文150余篇（其中余篇（其中SCI論文論文80余篇）；余篇）；授權專利授權專利10余項；獲得山西省科技合作一等獎，山西省自然科學二等獎，獲批山西省優秀青年培余項；獲得山西省科技合作一等獎，山西省自然科學二等獎，獲批山西省優秀青年培育項目育項目1項；入選中國水業人物項；入選中國水業人物1名，山西省名，山西省“三晉英才三晉英才”拔尖骨干人才拔尖骨干人才1名和青年優秀人才名和青年優秀人才4名。名。2 2城市污泥處理處置必要性分析 習近平總書記習近平總書記 承諾承諾中國將力爭中國將力爭2030年前實現年前實現碳達峰碳達峰、2060年前實現年前實現碳中和碳中和?！笆奈濉背擎偽鬯幚?/p>

4、及資源化利用發展規劃關于推進污水資源和利用的指導意見污泥無害化處理和資源化利用實施方案2025年，污泥無害化率年，污泥無害化率90%以上，地級以上城市以上，地級以上城市 95%以上；以上；2035年，形成年，形成系統、環保、經濟的系統、環保、經濟的污水資源化污水資源化利用格局。利用格局。在實現污泥穩定化、無害化處置前提下，穩步推進資源化利用。在實現污泥穩定化、無害化處置前提下，穩步推進資源化利用。48%90%2030%有機物磷磷氮氮轉移轉移城市污泥城市污泥7000萬噸萬噸/年年能量能量20MJ/kg干污泥干污泥(400多萬噸標準煤多萬噸標準煤)反硝化碳源缺失高附加值能源/資源高效生物轉化高效生

5、物轉化解解 決決“城市礦山城市礦山”碳碳-氮氮-磷磷能源和肥料的資源匯源污水排放的溫室氣體約占全國的污水排放的溫室氣體約占全國的2.9%3 3城市城市污泥污泥發酵產酸發酵產酸氫氣氫氣中鏈羧酸中鏈羧酸短鏈短鏈羧酸羧酸微生物電微生物電催化催化氮磷氮磷III：生物電發酵：生物電發酵提升電子回收效率提升電子回收效率產物附加值產物附加值提高生物可給性提高生物可給性海藻酸類聚合物回收海藻酸類聚合物回收目標:污泥有機質低碳-分質-高值資源化提升產物附加值提升產物附加值有機質有機質剝離和剝離和產品回產品回收收4 4自修復混凝土自修復混凝土胞外胞外聚合聚合物物梯級梯級提取提取嗜堿碳沉積混菌嗜堿碳沉積混菌污泥污泥

6、殘渣殘渣再生再生骨料骨料城市污泥城市污泥“全鏈條式全鏈條式”低碳高低碳高值轉化值轉化能源資源轉化能源資源轉化多目標循環利用多目標循環利用 高附加值產品及高附加值產品及 生物能源生物能源 礦物質回收及利用礦物質回收及利用 礦化沉積菌劑馴化礦化沉積菌劑馴化 及建材利用及建材利用工作設想5 5 Zhou et al,Journal of Biotechnology.2013,168:234-239.Zhou et al,Biotechnology for Biofuels.2016,9(241).Wen and Zhou*et al,Scientific Reports.2017,7(42887).

7、污泥厭氧生物轉化過程存在的技術瓶頸6 6半剛性細胞壁半剛性細胞壁結構是水解限速步驟結構是水解限速步驟G0+48.3 kJ/reactionG0+124.2 kJ/reactionG0+76.1 kJ/reactionG0+144.3 kJ/reaction傳統厭氧處理中產氫產乙酸過程受氫累積和熱力學限制污泥厭氧生物轉化過程存在的技術瓶頸7 7污泥厭氧生物轉化過程存在的技術瓶頸8 82HBu+SO42-=4HAc+H+HS-+2H2OG0=-55.3 kJ/reactorSRB介導的種間氫轉移強化污泥產SCFAs9 9SRB介導的種間氫轉移強化污泥產SCFAs 定向馴化不完全氧化型定向馴化不完全

8、氧化型SRB代謝研究代謝研究SRB菌群菌群HPr-SRBHBu-SRBHVa-SRBArcobacter9.461.990.02Anaerofilum5.135.462.08Desulfovibrio3.195.533.57Dysgonomonas4.483.230.18Rhodobacter00.010.36SRB總豐度（總豐度（%）22.2616.226.21 HPr-/HBu-/HVa-SRB對硫酸鹽硫酸鹽的還原率分別為48%、56%和38%；HAc轉化率依次為37%、24%和20%。Zhou*and Fan et al,ACS Sustainable Chemistry&Enginee

9、ring.2020,8:9325-9334.Zhou*et al,Fermentation.2023,9(1),20.1010 基于硫酸鹽自由基預處理強化污泥溶胞基于硫酸鹽自由基預處理強化污泥溶胞 摩爾比摩爾比:PF:Na2SO3=1:2；處理時間：；處理時間：2 hp 預處理致DOM層蛋白和糖類濃度為未預處理污泥的和倍；p 有檢出。Zhou*et al,Chemical Engineering Journal,2020,400(15):125885Liu and Zhou*et al,Science of the Total Environment,2022,841,156793.SRB介導

10、的種間氫轉移強化污泥產SCFAs 不同比例不同比例Fe(II):Na2SO3、熱活化過硫酸、熱活化過硫酸鹽鹽EPR圖譜圖譜1111 SCFAs產量、組成及元素分析產量、組成及元素分析 Fe6+大部分轉化為Fe3+(79.0%)；S元素在最終的體系中的存在狀態包括SO42-、SO32-、HS-/S2-和S0。劉紅燕，周愛娟劉紅燕，周愛娟*et al,中國環境科學中國環境科學.2020.40(04):204-210.SRB介導的種間氫轉移強化污泥產SCFAs白白白 PF+Na2SO3+SRB中HAc累積量最高值（60.9%,2d）比空白組提升41.9%。1212 功能群落結構解析及分子生態網絡構建

11、功能群落結構解析及分子生態網絡構建 PF+Na2SO3+SR B 組 中：AFB優勢菌屬占比達26.3%；SRB菌屬占比達2.2%。Desulfovibrio(OTU309)與主要AFB呈正相關；SRB：Desulforhabdus(OTU444)和Desulfobulbus(OTU21)，呈正相關。SRB介導的種間氫轉移強化污泥產SCFAs1313Zhou*et al.ACS Sustainable Chemistry&Engineering,2023,11(7),3012-3022.污水微篩截留碳源/地域性廢棄物與污泥共發酵體系城城市市污污泥泥如何引導污水中的慢速顆粒碳源供給反硝化，降低碳

12、氧化損耗及曝氣能耗的同時，增加反硝化碳源供給？如何破解剩余污泥碳氮不平衡及水解效率低的轉化瓶頸，增加內部碳源產量，優化碳源結構？Chemosphere.2021,284,131275.Front.Env.Sci.Eng.2020.15(1).Front.Env.Sci.Eng.2019,13(1):3.Energies.2020,13(18),4690.ZL 201610466999.8ZL 201611049540.41414污水微篩截留碳源與污泥共發酵體系傳統A2O生物處理過程中，反硝化速率較高的易生物降解碳源占比少，而反硝化速率較低的慢速顆粒性碳源占比多。截留碳源較污泥結構松散，有機含量

13、高，利于厭氧發酵產酸；優化適宜的微篩截留條件；微篩截留碳源性能與優化微篩截留碳源性能與優化1515 Zhou*and Duan，et al,Front.Env.Sci.Eng.2020,15(1).污水微篩截留碳源與污泥共發酵體系F/W-2:3時VFAs產率最高達432 mg/gVSS，是WAS單獨發酵的3.5倍。碳氧化流失量減少15.1%，且總能耗降低24.0%,氣候變化潛值降低了1.58%。LCA分析分析 污水顆粒性碳源再分配及污水顆粒性碳源再分配及LCA分析分析1616 Zhou*and Duan，et al,Chemosphere.2021,284,131275.Energies.20

14、20,13(18),4690.地域性廢棄物與污泥共發酵體系 釀造廢棄物調質污泥發酵產酸及機理解析釀造廢棄物調質污泥發酵產酸及機理解析 熱堿預處理效果最優，熱堿預處理效果最優，3105mgCOD/L;HAc+HPr占比占比66.9%熱堿預處理抑制甲烷，促進熱堿預處理抑制甲烷，促進HAc累積累積1717污泥生物電發酵合成高附加值己酸Environ.Res.2022,203,111875.Environ.Res.2022,215,114077.Elesevier Chapter 16 ISBN:978-0-12-822956-9 技術思路技術思路1818污泥生物電發酵合成高附加值己酸 潛在機理解析潛

15、在機理解析 功能菌群定殖策略功能菌群定殖策略p 定殖混合菌群達到了最大的碳和電子向定殖混合菌群達到了最大的碳和電子向己酸的轉移率，分別為己酸的轉移率，分別為72.8%和和69.3%。1919污泥生物電發酵合成高附加值己酸 污泥電發酵產己酸及機理污泥電發酵產己酸及機理p 菌群互營聯合、生物陰極提供的氫還原菌群互營聯合、生物陰極提供的氫還原力、底物濃度對于污泥電發酵過程的己力、底物濃度對于污泥電發酵過程的己酸選擇度和產率有很大的影響。酸選擇度和產率有很大的影響。2020污泥梯級生物電發酵產氫-磷回收體系2121 構建構建FNA預處理協同污泥預發酵預處理協同污泥預發酵-微生物電解梯級體系微生物電解梯

16、級體系 Liu and Zhou*et al,ACS Sustainable Chemistry&Engineering.2018,6(3):3870-3878.4.2%(AD_Control)13.6%(AD_FNA)19.5%(AD_MEC_Control)34.4%(AD_MEC_FNA)揮發酸產量提升揮發酸產量提升2.8倍倍氫氣產量提高氫氣產量提高4.1倍倍污泥梯級生物電發酵產氫-磷回收體系2222污泥梯級生物電發酵產氫-磷回收體系 PAA聯合聯合FNA強化污泥胞外聚合物崩解產氫效能研究強化污泥胞外聚合物崩解產氫效能研究l PAA&FNA破壞細胞膜磷脂雙分子層，TB-EPS上的蛋白和糖

17、類有效剝離47.6%和68.0%。Liu and Zhou*et al,Water Research.2020.176：115724.l 聯合預處理產生的OH和 O2-信號強于PAA預處理，原因可能是產生了過氧亞硝基。l AFB(28.1)vs EAB(57.0)2323污泥梯級生物電發酵產氫-磷回收體系有機磷有機磷非磷灰石態磷非磷灰石態磷磷灰石態磷磷灰石態磷有機磷有機磷活性磷酸鹽活性磷酸鹽重要貢獻因子重要貢獻因子 梯級生物電發酵能夠促進有效磷釋放梯級生物電發酵能夠促進有效磷釋放（1）AD-FMEC中OP釋放率達54.6%，對應釋放貢獻率為90.0%;（2）污泥絮凝體的解體污泥絮凝體的解體和生

18、物電解過程生物電解過程是OP釋放的關鍵原因。ZL.授權公告號：授權公告號：CN 106477846 B ZL.授權公告號：授權公告號：CN 107352766 B Zhou*et al,Energy.2019,185:787-794.2424污泥梯級生物電發酵產氫-磷回收體系 構建零價鐵介導的新型生物電發酵體系，同步實現高純氫氣和藍鐵礦回收構建零價鐵介導的新型生物電發酵體系，同步實現高純氫氣和藍鐵礦回收菱形堆積結構是藍鐵礦晶體。EDS 掃描發現，各組中 Fe/P 比為1.73.1，符合藍鐵礦生成條件。Unpublished data2525碳沉積功能菌劑馴化及建材資源化利用 充分發揮污泥中微生

19、物的多譜系功能性和高活性充分發揮污泥中微生物的多譜系功能性和高活性研發基于微生物礦化的自修復混凝土和再生骨料改性技術研發基于微生物礦化的自修復混凝土和再生骨料改性技術 研究背景研究背景 Construction and Building Materials.2017,148:610617.ZL 201610385109.0ZL201611096154.0ZL2017104511 71.X（轉化（轉化10萬元）萬元）2626好氧好氧 厭氧厭氧 兼性兼性好氧混菌具有好氧混菌具有較好的無機碳較好的無機碳轉化能力轉化能力75.3 3.8%菌群間菌群間存在互存在互生互作生互作關系關系 不用應用環境下碳沉

20、積混菌篩選不用應用環境下碳沉積混菌篩選 Scientific Reports,2017,7:14600 2727碳沉積功能菌劑馴化及建材資源化利用 自修復混凝土應用性能對比自修復混凝土應用性能對比2828碳沉積功能菌劑馴化及建材資源化利用 裂縫修復菌劑和應用實現過程裂縫修復菌劑和應用實現過程2929碳沉積功能菌劑馴化及建材資源化利用 裂縫修復菌劑和應用實現過程裂縫修復菌劑和應用實現過程摻入摻入修復劑修復劑AE的的混凝土裂縫修復率較高，最大裂縫修復寬混凝土裂縫修復率較高，最大裂縫修復寬度可達度可達1.22mm（點修復），（點修復），表現出較好的裂縫修復能力。摻入表現出較好的裂縫修復能力。摻入修復

21、劑修復劑AN與修復劑與修復劑FA的混凝土的混凝土也有較好也有較好的裂縫修復能力。的裂縫修復能力。裂縫處晶體飽滿，部分裂縫處有突出晶體，實裂縫處晶體飽滿，部分裂縫處有突出晶體，實現了裂縫的自愈合?，F了裂縫的自愈合。82%aragonite 文石文石18%calcite好氧混菌100%calcite 方解石方解石厭氧混菌100%calciteBacillus cohniiConstruction and Building Materials,2019,224:815-822.3030碳沉積功能菌劑馴化及建材資源化利用 裂縫修復菌劑和應用實現過程裂縫修復菌劑和應用實現過程Construction a

22、nd Building Materials,2019,224:815-822.3131碳沉積功能菌劑馴化及建材資源化利用再生骨料經過好氧嗜堿混菌處理后其吸水率降低了15.7%，壓碎指標降低了19.6%，其骨料礦化增強效果優于科氏芽孢桿菌組。碳沉積修復菌劑和再生骨料改性碳沉積修復菌劑和再生骨料改性3232碳沉積功能菌劑馴化及建材資源化利用 碳沉積菌沉積方式優化碳沉積菌沉積方式優化純菌改性組好氧混菌改性組未改性組未改性組改性組再生骨料經過碳沉積菌處理后，表面細小坑洞被生成的碳酸鈣沉積改性，碳沉積混菌代謝過程中分泌的胞外聚合物較科氏芽孢桿菌組豐富，對其性能改性效果較好。Construction an

23、d Building Materials,2022,343,128138.3333碳沉積功能菌劑馴化及建材資源化利用 碳沉積修復再生骨料對混凝土自修復性能影響碳沉積修復再生骨料對混凝土自修復性能影響碳沉積菌改性骨料對修復菌是較好的載體，應用改性再生骨料的混凝土具有較好的自修復性能（修復效果可達到陶粒為載體的混凝土）。3434碳沉積功能菌劑馴化及建材資源化利用構建基于強氧化自由基的綠色高效組合預處理體系，提高生物可給性；針對產氫產乙酸過程受氫累積和熱力學限制的問題，提出了預處理協同種間氫轉移強化乙酸轉化的研究思路；提出了污水顆粒性懸浮有機質再分配、工農業廢棄物調質強化短鏈羧酸定向轉化策略；搭建生物電催化強化一體式厭氧及梯級轉化回收體系，構建無電子供體條件下生物電發酵碳鏈延伸工藝，提升有效成分附加值；充分發揮污泥中微生物的多譜系功能性和高活性，篩選和馴化不完全氧化型硫酸鹽還原菌、耐受不同環境的碳沉積功能菌，并應用于綠色環保建材產業?？?結3535致 謝感謝岳秀萍教授和污染物定向轉化與資源化利用團隊老師和同學！敬請批評指正！