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迈向碳中和|北京工商大学生态环境学院孙迎雪教授团队:推进污水

  污水处理行业是名副其实的耗能大户,据联合国数据显示,污水处理行业碳排放量占全社会总排放量的约1%-2%,是不可忽视的减排领域。随着我国城镇化的推进和污水处理设施的完善,我国城镇污水处理规模超过2亿吨/天,位居世界第一。

  污水中含有大量有机物、污染物质与营养物质,具有污染和资源的双重属性。因此,污水也被称作“第二水资源”,污水深度处理与资源化再生回用过程碳减排对污水处理行业的碳中和具有重要意义。十多年来,北京工商大学生态环境学院孙迎雪教授团队针对工业及生活等污废水,开展污水深度处理与再生利用水质安全保障研究,逐步形成污水再生处理与循环利用技术、环境功能材料开发和高级氧化处理技术、水环境治理与修复、水质安全评价与保障技术等系统成果,为我国新时期全面推进污水资源化利用奠定了基础。

  针对轻工行业废水有机物浓度高、污水处理规模大小不一,常规活性污泥法处理技术具有处理能耗高、占地面积大等问题,需要开发针对不同处理规模、高效低耗的新型废水处理技术,因此本团队开发了针对轻工行业废水处理的基于好氧颗粒污泥技术(适用于小规模)和厌氧氨氧化技术(适用于大规模)的节能减排工艺体系。好氧颗粒污泥(Aerobic granular sludge,AGS)技术污染物去除效率高,相对传统好氧生物处理技术,可减少约80%的占地面积和58-63%的运行能耗,可同时有效去除污水中有机物、氮、磷和其他等污染物,出水效果好。针对小规模轻工行业污水排放量较小,难以应用操作调控复杂的厌氧消化技术等问题,集成水解酸化耦合动态调控好氧颗粒污泥技术,强化好氧颗粒污泥的结构和运行稳定性,同时提高好氧颗粒污泥对高负荷有机废水的处理负荷,降低轻工业废水处理的能耗和占地面积,降低处理成本;本团队针对大规模轻工行业的污水处理量较大、厌氧消化出水氨氮浓度较高、难以达标等问题,将厌氧消化和基于厌氧氨氧化技术的双泥龄复合脱氮工艺相结合,开发形成厌氧消化耦合厌氧氨氧化技术。利用厌氧消化将轻工行业废水中有机物转化为能源物质甲烷,不仅降低二氧化碳排放量,同时增强生物能源产量。厌氧消化出水中的氨氮采用基于厌氧氨氧化技术的双泥龄复合脱氮工艺进行深度处理,使出水污染物浓度达到排放标准,同时降低处理过程能量消耗,进一步降低处理工艺中所需要的能耗和碳源,减少二氧化碳排放量,助力碳中和。

  以国家“十二五”科技支撑项目、“有机酸行业生物质燃气化工程及中小城市商业化运营模式示范研究”等为依托,团队侧重开展了有机酸行业高浓度有机废水的高效产沼气技术研发,对通过厌氧生物处理高效产沼气的工艺条件、菌群结构、硫酸盐抑制等瓶颈问题进行了深入研究,为有机酸行业生物质清洁能源回收,提供了必要的技术支持。同时,污泥处理处置是我国污水处理的短板,也是打赢污染防治攻坚战的重要任务,本团队研发的厌氧产沼技术也已应用到污水处理厂剩余污泥的联合处理。在碳中和的背景下,未来污泥处理处置应以节能降耗、资源能源回收为目标,本团队研发的技术可通过工艺条件控制、菌群结构调整等方式提高厌氧产沼气的效率,更彻底地从污泥中回收生物质能源,从而提升污泥处理处置的碳减排水平。

  随着我国经济发展和城镇化水平的不断提高,近年来污水排放量也不断上升。污水处理最常用的方法是活性污泥法,但其不可避免的产生大量剩余污泥。混凝是污泥处理工业最常用的化学调理方式,尽管成本低廉,但会产生二次污染,效果也往往差强人意,大多情况下机械脱水后的泥饼含水率仍高于80%,后续处理导致大量碳排放。磁技术因其清洁、能耗低等优点,近年来逐渐应用于污水处理领域,取得了一定效果。通过将外磁场耦合混凝剂对市政污水处理厂剩余污泥和柠檬酸废水处理剩余污泥调理的对比研究发现,外磁场对两种污泥混凝后的脱水均有一定提高,且由于污泥性质不同而基于不同的机理。团队通过大量研究充分证实了磁技术对提高混凝效果的作用,揭示了蛋白质和多糖的变化归路,柠檬酸污泥与市政污泥中的结合水与污泥的结合能力均有所减弱,为磁技术调理污泥脱水的应用奠定了基础,相关研究内容已发表于Environmental Science and Pollution Research期刊。

  污水也被称作“第二水资源”,把污水变成资源,推进污水资源化再生利用,是推动污水处理碳减排、助力碳中和的强有力举措。针对污水资源化利用过程的风险与控制研究不足,为评估和实时监测污水再生利用安全,团队联合清华大学等科研单位联合研发多介质多生态位的仿水生态系统,模拟污染物迁移转化,解析长期暴露下鱼类体征、免疫应答变化,实现复合污染物生态毒性评价;同时基于鱼类的矢量轨迹采集,集成大数据人工智能综合判定鱼类接触毒害物质的应激、死亡行为,实现急性毒性在线监控和实时预警。研究首次实现多个急性毒性终点的在线监控和实时预警,真实反映水生态系统中复合污染物低浓度长期暴露导致的慢性生态毒性,支撑排放尾水的安全高效回用。与此同时,排放尾水耦合鱼菜共生系统,实现尾水资源化高效利用新的增长点。

  基于国家水污染防治重大战略需求,加快推进污水资源化利用进程,助力实现“2060碳中和”目标,水污染防治理论与技术团队立足城镇污水深度处理与资源化利用,研究方向涵盖水和污水水质特征与安全评价,城市污水处理新技术与能源资源开发,高浓度有机工业废水的厌氧处理与资源化,污水再生处理与循环利用技术,水环境修复和水生态风险控制技术,环境功能材料开发和高级氧化处理技术,环境毒害污染物危害识别、暴露评价和风险表征技术等方面。

  历经不断发展,水污染防治理论与技术团队始终服务于北京市及全国的城市发展水环境领域保护的战略需求,紧密结合本校历史特色,助力以轻工行业为主的工业废水污染综合治理与资源化利用。团队先后主持并完成国家自然科学基金、国家科技重大水专项、国家社科基金项目、北京市自然科学基金、北京市教委科技项目以及企事业合作项目等50余项,获国家授权发明专利20余项,团队成员在国际水协会(IWA)、中国环境科学学会水处理与回用专业委员会、中国土木工程学会水工业分会等国内外团体中担任重要学术职务。同时,团队联合承办的水与发展纵论(Water Talk)得到国内外专家学者和高校师生的广泛关注,覆盖全国31个省市自治区和港澳台地区以及美国等国家,参会人数累计达到35,000多人,社会影响广泛。