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俞汉青教授:厌氧处理技术的困境和出路

厌氧处理技术是实现有机物能源化和生物强化技术创新研究的重点。在 2020(第二届)中国城市水环境与水生态发展大会上,中国科学技术大学俞汉青教授作了《厌氧处理技术:困境和出路》的报告,系统介绍了厌氧处理的发展历史,实用性厌氧技术的进展及近年来在厌氧领域的研究探索,并分享了他对厌氧处理技术未来研究方向的一些思考。

俞汉青教授:厌氧处理技术的困境和出路
厌氧处理发展简史
美国斯坦福大学 Perry L.McCarty 教授于 1985 年在广州第四届国际厌氧消化大会作了“厌氧处理一百年”的报告,系统回顾了厌氧处理的发展历史:1880 年~1950 年间开发的第一代厌氧反应工艺(传统化粪池和厌氧污泥接触工艺),水力停留时间长(14 天),效率低;1969 年 McCarty 教授的学生 James Young 发明了厌氧滤池,实现了固体停留时间和水力停留时间的分离,水力停留时间缩短至 8 小时,实现了废水的常温厌氧处理;之后 M.P.Bryant 教授提出了厌氧处理的“水解酸化、发酵产酸、产甲烷”三阶段理论,至此奠定了现代厌氧处理的技术和理论基础。荷兰瓦赫宁根大学 Gatze Lettinga 教授在厌氧滤池基础上进行了改进,发明了第二代厌氧反应器-UASB 上向流厌氧污泥床反应器,处理效率更高,运行更稳定,之后他又发明了流化状态的反应器,即 EGSB 厌氧颗粒污泥床反应器,并与荷兰帕克公司(PAQUES)合作开发了 IC 内循环厌氧污泥床反应器,这些被称为第三代厌氧生物反应器。上世纪 80 年代末 90 年代初是整个厌氧处理技术研发和运用的巅峰时代。

俞汉青教授:厌氧处理技术的困境和出路

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实用性厌氧技术的发展
俞汉青教授介绍了相关实用性厌氧技术及其进展,主要包括:
厌氧生物脱硫:PAQUES公司和 Lettinga 教授合作开发了 SULFATEQ 工艺,将硫酸盐还原成为 S0,实现硫回收;开发了 THIOTEQ Metal 工艺,将重金属以硫化物的形式沉淀回收。
零价铁促进厌氧废水处理技术:零价铁或锈蚀铁屑的加入显著提高厌氧反应器的处理效率,大连理工大学张耀斌教授、全燮教授已将这种技术应用于制药废水、化工废水和污泥处理工程
厌氧处理系统营养回收集成技术:中科院城市环境研究所赵全保博士等人的专利技术,即利用空气、废热、可再生电和硫酸,生产 A 级粗纤维、硫酸铵肥料和富磷有机肥,并在养鸡场、养牛场等开展了技术示范。
厌氧处理反应器诊断和预警技术:针对厌氧反应器运行不稳定的问题,俞汉青教授团队开发了在线监测系统、新型评估指标及智能诊断软件,构建了厌氧处理反应器诊断和预警系统,建立了厌氧反应器预警示范工程
无需三相分离器的新一代高速厌氧反应器技术:俞教授最后介绍了 PAQUES 公司的 BIOPAQ?ICX 产品,通过创新性一级气水分离、二级泥水分离设计,进一步提升了反应器的单位体积负荷率,提高了生物质的截留效率。
俞汉青教授:厌氧处理技术的困境和出路

俞汉青教授:厌氧处理技术的困境和出路
近年来在厌氧领域的研究探索
俞教授介绍了近年来在厌氧领域的研究探索,主要包括:当前热门的微生物种间直接电子传递(DIET)研究、俞教授团队开展的转化纤维素类废物的人工瘤胃仿生系统研究、厌氧发酵产品的高值化(生产中链脂肪酸、聚羟酸丁酸酯 PHA/PHB)研究、微生物燃料电池(MFC)研究及厌氧膜生物反应器(AnMBR)研究,并简要点评了上述研究的发展瓶颈或前景。
厌氧处理技术的出路
针对厌氧处理技术的未来发展方向,俞汉青教授认为,应深入推进基因组学、转录组学、蛋白质组学及代谢组学等多维组学技术在厌氧处理系统中的应用;借助合成生物学的发展,从“自上而下解耦微生物”转变为“自下而上重构微生物组”;推进基因编辑技术的环境应用,并介绍了团队利用基因编辑的方法重塑希瓦氏菌的胞外电子传递路径、提高了污染物降解能力的研究结果;以及新近发现的细菌厌氧合成乙烯和甲烷的新途径,提示未来可聚焦于生物产乙烯等。
俞汉青教授:厌氧处理技术的困境和出路

俞汉青教授:厌氧处理技术的困境和出路
最后,俞教授分享了他对厌氧技术未来研究方向的建议,包括传统厌氧技术(如厌氧酸化、两相厌氧)的再探索、城市污水/生活污水厌氧处理技术、微生物组学的应用、合成生物学新方法和基因编辑新技术的应用以及厌氧处理功能的拓展。

来源:城科会水环境与水生态分会

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