1、周爱娟 太原理工大学 中国给水排水中国给水排水20232023年中国城镇污泥处理处置技术与应用高级研讨会年中国城镇污泥处理处置技术与应用高级研讨会全链条式污泥分级分质资源化全链条式污泥分级分质资源化-产能产能-建材利用技术建材利用技术Efficient cascading recovery of value-added resources-energy-green building materials from municipal sludgeRECYCLINGWASTE ACTIVATED SLUDGE H2H2CH4H2污染物定向转化与资源化利用团队介绍p 研究团队研

2、究团队共共6565人人，其中教师，其中教师1212人，研究生人，研究生5353人；人；p 教师团队教师团队高级职称高级职称7 7人（教授人（教授2 2名），具有博士学位名），具有博士学位1212人，人，博士后经历博士后经历8 8人。人。1 1污染物定向转化与资源化利用团队污染物定向转化与资源化利用团队科研简介科研简介污染物定向转化与资源化利用符合国家污染物定向转化与资源化利用符合国家“十四五十四五”发展规划、双碳目标、污水资发展规划、双碳目标、污水资源化利用相关战略的指导方针。源化利用相关战略的指导方针。团队承担国家级项目团队承担国家级项目10余项，省部级项目余项，省部级项目30余项；发表学术

3、论文余项；发表学术论文150余篇（其中余篇（其中SCI论文论文80余篇）；余篇）；授权专利授权专利10余项；获得山西省科技合作一等奖，山西省自然科学二等奖，获批山西省优秀青年培余项；获得山西省科技合作一等奖，山西省自然科学二等奖，获批山西省优秀青年培育项目育项目1项；入选中国水业人物项；入选中国水业人物1名，山西省名，山西省“三晋英才三晋英才”拔尖骨干人才拔尖骨干人才1名和青年优秀人才名和青年优秀人才4名。名。2 2城市污泥处理处置必要性分析 习近平总书记习近平总书记 承诺承诺中国将力争中国将力争2030年前实现年前实现碳达峰碳达峰、2060年前实现年前实现碳中和碳中和。“十四五”城镇污水处理

4、及资源化利用发展规划关于推进污水资源和利用的指导意见污泥无害化处理和资源化利用实施方案2025年，污泥无害化率年，污泥无害化率90%以上，地级以上城市以上，地级以上城市 95%以上；以上；2035年，形成年，形成系统、环保、经济的系统、环保、经济的污水资源化污水资源化利用格局。利用格局。在实现污泥稳定化、无害化处置前提下，稳步推进资源化利用。在实现污泥稳定化、无害化处置前提下，稳步推进资源化利用。48%90%2030%有机物磷磷氮氮转移转移城市污泥城市污泥7000万吨万吨/年年能量能量20MJ/kg干污泥干污泥(400多万吨标准煤多万吨标准煤)反硝化碳源缺失高附加值能源/资源高效生物转化高效生

5、物转化解解 决决“城市矿山城市矿山”碳碳-氮氮-磷磷能源和肥料的资源汇源污水排放的温室气体约占全国的污水排放的温室气体约占全国的2.9%3 3城市城市污泥污泥发酵产酸发酵产酸氢气氢气中链羧酸中链羧酸短链短链羧酸羧酸微生物电微生物电催化催化氮磷氮磷III：生物电发酵：生物电发酵提升电子回收效率提升电子回收效率产物附加值产物附加值提高生物可给性提高生物可给性海藻酸类聚合物回收海藻酸类聚合物回收目标:污泥有机质低碳-分质-高值资源化提升产物附加值提升产物附加值有机质有机质剥离和剥离和产品回产品回收收4 4自修复混凝土自修复混凝土胞外胞外聚合聚合物物梯级梯级提取提取嗜碱碳沉积混菌嗜碱碳沉积混菌污泥污泥

6、残渣残渣再生再生骨料骨料城市污泥城市污泥“全链条式全链条式”低碳高低碳高值转化值转化能源资源转化能源资源转化多目标循环利用多目标循环利用 高附加值产品及高附加值产品及 生物能源生物能源 矿物质回收及利用矿物质回收及利用 矿化沉积菌剂驯化矿化沉积菌剂驯化 及建材利用及建材利用工作设想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、污泥厌氧生物转化过程存在的技术瓶颈6 6半刚性细胞壁半刚性细胞壁结构是水解限速步骤结构是水解限速步骤G0+48.3 kJ/reactionG0+124.2 kJ/reactionG0+76.1 kJ/reactionG0+144.3 kJ/reaction传统厌氧处理中产氢产乙酸过程受氢累积和热力学限制污泥厌氧生物转化过程存在的技术瓶颈7 7污泥厌氧生物转化过程存在的技术瓶颈8 82HBu+SO42-=4HAc+H+HS-+2H2OG0=-55.3 kJ/reactorSRB介导的种间氢转移强化污泥产SCFAs9 9SRB介导的种间氢转移强化污泥产SCFAs 定向驯化不完全氧化型定向驯化不完全

8、氧化型SRB代谢研究代谢研究SRB菌群菌群HPr-SRBHBu-SRBHVa-SRBArcobacter9.461.990.02Anaerofilum5.135.462.08Desulfovibrio3.195.533.57Dysgonomonas4.483.230.18Rhodobacter00.010.36SRB总丰度（总丰度（%）22.2616.226.21 HPr-/HBu-/HVa-SRB对硫酸盐硫酸盐的还原率分别为48%、56%和38%；HAc转化率依次为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 基于硫酸盐自由基预处理强化污泥溶胞基于硫酸盐自由基预处理强化污泥溶胞 摩尔比摩尔比:PF:Na2SO3=1:2；处理时间：；处理时间：2 hp 预处理致DOM层蛋白和糖类浓度为未预处理污泥的和倍；p 有检出。Zhou*et al,Chemical Engineering Journal,2020,400(15):125885Liu and Zhou*et al,Science of the Total Environment,2022,841,156793.SRB介导

10、的种间氢转移强化污泥产SCFAs 不同比例不同比例Fe(II):Na2SO3、热活化过硫酸、热活化过硫酸盐盐EPR图谱图谱1111 SCFAs产量、组成及元素分析产量、组成及元素分析 Fe6+大部分转化为Fe3+(79.0%)；S元素在最终的体系中的存在状态包括SO42-、SO32-、HS-/S2-和S0。刘红燕，周爱娟刘红燕，周爱娟*et al,中国环境科学中国环境科学.2020.40(04):204-210.SRB介导的种间氢转移强化污泥产SCFAs白白白 PF+Na2SO3+SRB中HAc累积量最高值（60.9%,2d）比空白组提升41.9%。1212 功能群落结构解析及分子生态网络构建

11、功能群落结构解析及分子生态网络构建 PF+Na2SO3+SR B 组 中：AFB优势菌属占比达26.3%；SRB菌属占比达2.2%。Desulfovibrio(OTU309)与主要AFB呈正相关；SRB：Desulforhabdus(OTU444)和Desulfobulbus(OTU21)，呈正相关。SRB介导的种间氢转移强化污泥产SCFAs1313Zhou*et al.ACS Sustainable Chemistry&Engineering,2023,11(7),3012-3022.污水微筛截留碳源/地域性废弃物与污泥共发酵体系城城市市污污泥泥如何引导污水中的慢速颗粒碳源供给反硝化，降低碳

12、氧化损耗及曝气能耗的同时，增加反硝化碳源供给？如何破解剩余污泥碳氮不平衡及水解效率低的转化瓶颈，增加内部碳源产量，优化碳源结构？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污水微筛截留碳源与污泥共发酵体系传统A2O生物处理过程中，反硝化速率较高的易生物降解碳源占比少，而反硝化速率较低的慢速颗粒性碳源占比多。截留碳源较污泥结构松散，有机含量

13、高，利于厌氧发酵产酸；优化适宜的微筛截留条件；微筛截留碳源性能与优化微筛截留碳源性能与优化1515 Zhou*and Duan，et al,Front.Env.Sci.Eng.2020,15(1).污水微筛截留碳源与污泥共发酵体系F/W-2:3时VFAs产率最高达432 mg/gVSS，是WAS单独发酵的3.5倍。碳氧化流失量减少15.1%，且总能耗降低24.0%,气候变化潜值降低了1.58%。LCA分析分析 污水颗粒性碳源再分配及污水颗粒性碳源再分配及LCA分析分析1616 Zhou*and Duan，et al,Chemosphere.2021,284,131275.Energies.20

14、20,13(18),4690.地域性废弃物与污泥共发酵体系 酿造废弃物调质污泥发酵产酸及机理解析酿造废弃物调质污泥发酵产酸及机理解析 热碱预处理效果最优，热碱预处理效果最优，3105mgCOD/L;HAc+HPr占比占比66.9%热碱预处理抑制甲烷，促进热碱预处理抑制甲烷，促进HAc累积累积1717污泥生物电发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 技术思路技术思路1818污泥生物电发酵合成高附加值己酸 潜在机理解析潜

15、在机理解析 功能菌群定殖策略功能菌群定殖策略p 定殖混合菌群达到了最大的碳和电子向定殖混合菌群达到了最大的碳和电子向己酸的转移率，分别为己酸的转移率，分别为72.8%和和69.3%。1919污泥生物电发酵合成高附加值己酸 污泥电发酵产己酸及机理污泥电发酵产己酸及机理p 菌群互营联合、生物阴极提供的氢还原菌群互营联合、生物阴极提供的氢还原力、底物浓度对于污泥电发酵过程的己力、底物浓度对于污泥电发酵过程的己酸选择度和产率有很大的影响。酸选择度和产率有很大的影响。2020污泥梯级生物电发酵产氢-磷回收体系2121 构建构建FNA预处理协同污泥预发酵预处理协同污泥预发酵-微生物电解梯级体系微生物电解梯

16、级体系 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)挥发酸产量提升挥发酸产量提升2.8倍倍氢气产量提高氢气产量提高4.1倍倍污泥梯级生物电发酵产氢-磷回收体系2222污泥梯级生物电发酵产氢-磷回收体系 PAA联合联合FNA强化污泥胞外聚合物崩解产氢效能研究强化污泥胞外聚合物崩解产氢效能研究l PAA&FNA破坏细胞膜磷脂双分子层，TB-EPS上的蛋白和糖

17、类有效剥离47.6%和68.0%。Liu and Zhou*et al,Water Research.2020.176：115724.l 联合预处理产生的OH和 O2-信号强于PAA预处理，原因可能是产生了过氧亚硝基。l AFB(28.1)vs EAB(57.0)2323污泥梯级生物电发酵产氢-磷回收体系有机磷有机磷非磷灰石态磷非磷灰石态磷磷灰石态磷磷灰石态磷有机磷有机磷活性磷酸盐活性磷酸盐重要贡献因子重要贡献因子 梯级生物电发酵能够促进有效磷释放梯级生物电发酵能够促进有效磷释放（1）AD-FMEC中OP释放率达54.6%，对应释放贡献率为90.0%;（2）污泥絮凝体的解体污泥絮凝体的解体和生

18、物电解过程生物电解过程是OP释放的关键原因。ZL.授权公告号：授权公告号：CN 106477846 B ZL.授权公告号：授权公告号：CN 107352766 B Zhou*et al,Energy.2019,185:787-794.2424污泥梯级生物电发酵产氢-磷回收体系 构建零价铁介导的新型生物电发酵体系，同步实现高纯氢气和蓝铁矿回收构建零价铁介导的新型生物电发酵体系，同步实现高纯氢气和蓝铁矿回收菱形堆积结构是蓝铁矿晶体。EDS 扫描发现，各组中 Fe/P 比为1.73.1，符合蓝铁矿生成条件。Unpublished data2525碳沉积功能菌剂驯化及建材资源化利用 充分发挥污泥中微生

19、物的多谱系功能性和高活性充分发挥污泥中微生物的多谱系功能性和高活性研发基于微生物矿化的自修复混凝土和再生骨料改性技术研发基于微生物矿化的自修复混凝土和再生骨料改性技术 研究背景研究背景 Construction and Building Materials.2017,148:610617.ZL 201610385109.0ZL201611096154.0ZL2017104511 71.X（转化（转化10万元）万元）2626好氧好氧 厌氧厌氧 兼性兼性好氧混菌具有好氧混菌具有较好的无机碳较好的无机碳转化能力转化能力75.3 3.8%菌群间菌群间存在互存在互生互作生互作关系关系 不用应用环境下碳沉

20、积混菌筛选不用应用环境下碳沉积混菌筛选 Scientific Reports,2017,7:14600 2727碳沉积功能菌剂驯化及建材资源化利用 自修复混凝土应用性能对比自修复混凝土应用性能对比2828碳沉积功能菌剂驯化及建材资源化利用 裂缝修复菌剂和应用实现过程裂缝修复菌剂和应用实现过程2929碳沉积功能菌剂驯化及建材资源化利用 裂缝修复菌剂和应用实现过程裂缝修复菌剂和应用实现过程掺入掺入修复剂修复剂AE的的混凝土裂缝修复率较高，最大裂缝修复宽混凝土裂缝修复率较高，最大裂缝修复宽度可达度可达1.22mm（点修复），（点修复），表现出较好的裂缝修复能力。掺入表现出较好的裂缝修复能力。掺入修复

21、剂修复剂AN与修复剂与修复剂FA的混凝土的混凝土也有较好也有较好的裂缝修复能力。的裂缝修复能力。裂缝处晶体饱满，部分裂缝处有突出晶体，实裂缝处晶体饱满，部分裂缝处有突出晶体，实现了裂缝的自愈合。现了裂缝的自愈合。82%aragonite 文石文石18%calcite好氧混菌100%calcite 方解石方解石厌氧混菌100%calciteBacillus cohniiConstruction and Building Materials,2019,224:815-822.3030碳沉积功能菌剂驯化及建材资源化利用 裂缝修复菌剂和应用实现过程裂缝修复菌剂和应用实现过程Construction a

22、nd Building Materials,2019,224:815-822.3131碳沉积功能菌剂驯化及建材资源化利用再生骨料经过好氧嗜碱混菌处理后其吸水率降低了15.7%，压碎指标降低了19.6%，其骨料矿化增强效果优于科氏芽孢杆菌组。碳沉积修复菌剂和再生骨料改性碳沉积修复菌剂和再生骨料改性3232碳沉积功能菌剂驯化及建材资源化利用 碳沉积菌沉积方式优化碳沉积菌沉积方式优化纯菌改性组好氧混菌改性组未改性组未改性组改性组再生骨料经过碳沉积菌处理后，表面细小坑洞被生成的碳酸钙沉积改性，碳沉积混菌代谢过程中分泌的胞外聚合物较科氏芽孢杆菌组丰富，对其性能改性效果较好。Construction an

23、d Building Materials,2022,343,128138.3333碳沉积功能菌剂驯化及建材资源化利用 碳沉积修复再生骨料对混凝土自修复性能影响碳沉积修复再生骨料对混凝土自修复性能影响碳沉积菌改性骨料对修复菌是较好的载体，应用改性再生骨料的混凝土具有较好的自修复性能（修复效果可达到陶粒为载体的混凝土）。3434碳沉积功能菌剂驯化及建材资源化利用构建基于强氧化自由基的绿色高效组合预处理体系，提高生物可给性；针对产氢产乙酸过程受氢累积和热力学限制的问题，提出了预处理协同种间氢转移强化乙酸转化的研究思路；提出了污水颗粒性悬浮有机质再分配、工农业废弃物调质强化短链羧酸定向转化策略；搭建生物电催化强化一体式厌氧及梯级转化回收体系，构建无电子供体条件下生物电发酵碳链延伸工艺，提升有效成分附加值；充分发挥污泥中微生物的多谱系功能性和高活性，筛选和驯化不完全氧化型硫酸盐还原菌、耐受不同环境的碳沉积功能菌，并应用于绿色环保建材产业。总 结3535致 谢感谢岳秀萍教授和污染物定向转化与资源化利用团队老师和同学！敬请批评指正！