典型有机固体废物高效处理处置与资源化

随着我国污水处理技术的不断发展，污水处理厂剩余污泥的产量不断增加；同时，我国作为全球水产第一大国，水产固体废物的产量也在逐年增加；除此以外，产量巨大的餐厨垃圾、畜禽粪便对环境造成的严重威胁也是亟待解决的问题。剩余污泥、水产固体废物、餐厨垃圾和畜禽粪便同属于城市有机固体废物，性质相似，采用填埋、焚烧等传统工艺对其进行处理处置不仅会给环境带来二次污染及高碳排放，而且无法实现废物资源化利用，不符合我国绿色可持续发展的方针政策。
本书针对污水处理厂剩余污泥、水产养殖污泥、鱼类加工固体废物、餐厨垃圾和畜禽粪便，提出了利用电离辐射、热水解、厌氧发酵产酸、厌氧消化产甲烷、超高温好氧发酵等工艺对其进行处理处置。笔者首先对电离辐射技术、热水解技术、厌氧消化技术、超高温好氧发酵技术分别进行了概述，并就其在有机固废处理处置领域的应用现状进行了回顾总结；其次，针对这几种典型固废处理处置方面的国家政策进行了介绍和解读；再次，通过一系列笔者参与的科学试验先后探究了γ射线辐射对剩余活性污泥和厌氧消化污泥的处理效果、热水解对剩余活性污泥处理及碳源回收利用的效果、剩余污泥厌氧发酵产酸效果、剩余污泥和水产固体废物联合厌氧消化产甲烷效果；最后，通过多个典型工程案例详细介绍了以上技术在有机固体废物处理及资源化方面的应用。本书介绍的研究内容涉及物理、化学、生物等多学科，数据量丰富、图文并茂、分析深入浅出，既有现象描述、政策解读，也有模型构建及机理分析，旨在为典型有机固体废物处理处置及资源化提供理论依据、技术参考和案例借鉴。本书可为有机固体废物处理处置领域的工程技术人员、科研人员和管理人员提供理论和技术参考，也可供高等学校环境科学与工程、市政工程、给排水科学与工程等相关专业师生参阅。
本书包含了笔者以及课题组近年来的研究成果，内容具有连续性和系统性。这些研究工作先后得到了氢氧化钠调控高脂类厌氧发酵过程及碳磷同步回收机制研究【山西省基础研究计划（自由探索类）青年项目，编号：202103021223098】和氢氧化铁对高脂类厌氧发酵原位回收碳和磷的影响及作用机制（山西省高等学校科技创新项目，编号：2021L035）的支持。此外，在本书撰写过程中，得到了太原理工大学宋秀兰教授、孔鑫副教授的帮助，在此表示衷心感谢。
由于笔者水平及时间所限，本书不足和疏漏之处在所难免，敬请读者不吝赐教。

太原理工大学 吴宇琦
2022 年2 月

吴宇琦，毕业于中国科学院水生生物研究所，环境工程工学博士（后），现为太原理工大学环境科学与工程学院讲师。长期从事有机固体废弃物处理处置和资源化研究。发表SCI论文十余篇，主持山西省教育厅科技项目1项、山西省基础研究计划青年项目1项、参与国家自然科学基金面上项目1项。

本书共9章，选取了农业（水产固体废物、畜禽粪便）、市政有机垃圾（剩余污泥、餐厨垃圾）两大类代表性有机固体废物作为研究对象，基于现有的政策背景，分别介绍了有机固体废物的处理技术和资源化技术。处理技术包括：?射线辐射技术、低温热水解技术、冷冻及自由亚硝酸预处理技术、热活化过硫酸钾预处理技术；资源化技术包括超高温好氧发酵技术、厌氧共消化工艺。最后通过典型案例的介绍体现了以上技术在实际工程中的应用价值。
本书具有较强的技术应用性和针对性，可为有机固废处理处置领域的工程技术人员、科研人员和管理人员提供理论依据和技术参考，也可供高等学校环境科学与工程、市政工程、给排水科学与工程及相关专业师生参阅。

第1章 概述 / 001
1.1 有机固体废物处理处置现状002
1.1.1 剩余污泥002
1.1.2 水产固体废物005
1.1.3 餐厨垃圾007
1.1.4 畜禽粪便009
1.2 有机固体废物处理技术010
1.2.1 电离辐射技术010
1.2.2 热水解技术016
1.3 有机固体废物资源化技术019
1.3.1 厌氧消化技术019
1.3.2 超高温好氧发酵技术022
1.4 有机固体废物处理处置政策及发展前景024
1.4.1 剩余污泥处理处置相关政策及发展需求024
1.4.2 水产养殖业污染的非工程性措施028
1.4.3 餐厨垃圾处理处置相关政策029
1.4.4 畜禽粪便处理应对措施建议033
参考文献034

第2章 γ射线辐射处理剩余活性污泥 / 040
2.1 试验材料与方法041
2.1.1 试验污泥性质041
2.1.2 污泥辐射方法042
2.1.3 主要指标测定方法043
2.2 辐射污泥的物理性质变化045
2.2.1 污泥沉降性能变化045
2.2.2 污泥粒径变化048
2.2.3 污泥固相组分含量变化 049
2.3 辐射污泥的化学性质变化 050
2.3.1 污泥SCOD 含量变化 050
2.3.2 污泥胞外聚合物含量变化 051
2.4 辐射污泥的脱水性能变化及机制 054
2.4.1 污泥脱水性能变化 054
2.4.2 污泥脱水性能变化与理化特性的关系 057
2.4.3 辐射影响污泥脱水性能机理 060
2.5 应用实例 061
参考文献 062

第3章 γ射线辐射处理厌氧消化污泥 / 063
3.1 试验材料与方法 065
3.1.1 试验污泥性质 065
3.1.2 污泥辐射方法 065
3.1.3 污泥脱水试验方法 066
3.1.4 鸟粪石沉淀法回收磷试验 066
3.1.5 主要指标测定方法 067
3.2 辐射对厌氧消化污泥脱水性能的影响 067
3.2.1 厌氧消化污泥脱水性能的变化 067
3.2.2 辐射改善厌氧消化污泥脱水性能的机理 068
3.3 鸟粪石沉淀法回收辐射污泥脱水液中的磷 071
3.3.1 辐射污泥脱水液中氮和磷的回收效率 071
3.3.2 鸟粪石沉淀物的成分分析及形成过程 072
3.4 剩余活性污泥与厌氧消化污泥脱水性能对比分析 075
3.4.1 辐射后剩余污泥及厌氧消化污泥脱水性能对比分析 075
3.4.2 初始剩余污泥及厌氧消化污泥脱水性能对比分析 075
参考文献 079

第4章 低温热水解处理剩余活性污泥及碳源回收利用 / 080
4.1 试验材料与方法 081
4.1.1 剩余污泥性质 081
4.1.2 低温热水解方法 082
4.1.3 污泥低温热水解上清液作为反硝化碳源的中试方法 083
4.1.4 主要指标测定方法 087
4.2 低温热水解对剩余污泥性质的影响087
4.2.1 剩余污泥物质释放特性087
4.2.2 剩余污泥脱水性能的变化规律及机理分析095
4.3 污泥低温热水解上清液用作两级A/O 工艺外加碳源099
4.3.1 反应器启动阶段运行效果099
4.3.2 中试连续运行效果101
4.4 两级A/O 工艺氮平衡模型构建107
4.4.1 氮平衡模型构建107
4.4.2 氮平衡模型验证110
参考文献113

第5章 冷冻及自由亚硝酸预处理对污泥厌氧发酵的影响 / 114
5.1 试验材料与方法115
5.1.1 剩余污泥理化特性115
5.1.2 污泥预处理及序批式厌氧发酵试验方法116
5.2 冷冻及自由亚硝酸预处理的效果117
5.2.1 污泥破解和溶解效果117
5.2.2 污泥厌氧发酵产酸效果119
5.2.3 污泥水解、产酸和产甲烷阶段的效果122
5.2.4 厌氧发酵体系pH 值、ORP 和污泥脱水性能变化124
5.3 启示及待解决的问题125
参考文献126

第6章 热活化过硫酸钾预处理对污泥厌氧发酵的影响 / 127
6.1 试验材料与方法128
6.1.1 剩余污泥及过硫酸钾性质128
6.1.2 污泥预处理及序批式厌氧发酵试验方法128
6.2 热活化过硫酸钾预处理的效果130
6.2.1 污泥破解和溶解效果130
6.2.2 污泥厌氧发酵产酸效果132
6.2.3 污泥水解、产酸和产甲烷阶段的效果134
6.2.4 污泥其他理化特性的变化规律135
6.2.5 发酵产酸机理阐释137
6.3 启示及待解决的问题139
参考文献140

第7章 超高温好氧发酵技术处理有机固体废物 / 141
7.1 超高温好氧发酵机理 142
7.1.1 超高温好氧发酵菌种和微生物群落结构 142
7.1.2 运行参数和工艺流程 142
7.2 超高温好氧发酵技术的研究进展 143
7.2.1 降解难生物降解有机质 143
7.2.2 减少温室气体排放 144
7.2.3 原位生物降解微塑料 144
7.2.4 修复重金属污染土壤 144
7.2.5 去除抗生素及抗性基因 145
7.3 应用实例 145
7.4 启示及待解决的问题 145
参考文献 146

第8章 厌氧共消化工艺处理有机固体废物 / 148
8.1 试验材料与方法 151
8.1.1 材料来源及性质 151
8.1.2 生物产甲烷潜力及主要指标测试方法 152
8.2 剩余污泥和水产养殖污泥厌氧共消化产甲烷效果 155
8.2.1 厌氧共消化产甲烷效果 155
8.2.2 厌氧共消化体系的理化特性 157
8.3 剩余污泥和鱼类加工固废厌氧共消化产甲烷效果 160
8.3.1 厌氧共消化产甲烷效果 160
8.3.2 厌氧共消化体系理化特性 163
8.3.3 利用q-PCR 技术分析产甲烷功能基因数量结果 168
8.3.4 微生物群落结构分析 170
8.4 应用实例 174
8.5 启示及待解决的问题 175
参考文献 175

第9章 有机固体废物处理及资源化技术典型案例 / 178
9.1 热水解和厌氧消化工艺典型案例 179
9.1.1 武汉某污水厂污泥高温热水解联合厌氧消化处理 179
9.1.2 北京某污水厂污泥高温热水解联合厌氧消化处理 182
9.1.3 杭州天子岭餐厨垃圾厌氧消化产沼项目184
9.2 超高温好氧发酵工艺典型案例189
9.2.1 厦门某餐厨垃圾超高温好氧发酵处理189
9.2.2 剩余污泥超高温好氧发酵处理192
9.2.3 福建某养殖场猪粪超高温好氧发酵处理193
9.3 电离辐射技术典型案例196
参考文献198