【编者按】10月24-25日，由中国沼气学会、同济大学、中国科学技术大学主办的2024年中国沼气学会学术年会于安徽阜阳顺利召开。年会期间，同期举办了大会主旨论坛，厌氧发酵技术、后处理及资源化利用、双碳战略下的沼气工程、沼气工程技术典型案例、青年论坛、先进技术与装备分论坛，企业展览、项目参观等系列活动。在主旨论坛中，日本东北大学教授李玉友应邀出席，并作“甲烷发酵和厌氧氨氧化的耦合利用”主题报告。
关于厌氧生物技术应用场景的思考
在本次会议上，我们聚焦于双碳问题，即碳达峰与碳中和的目标。我们欣喜的看到众多年轻学子也积极的参与到本届大会中，他们对环境工程领域的未来充满热情。在此，我愿分享一些个人见解，探讨如何在这一领域中应对碳中和、减碳、零碳等关键议题。
首先，我们必须认识到，减碳并非新概念。其核心在于减少温室气体的排放，以减缓全球气候变化。具体而言，减碳技术包括节能型技术、能源和资源回收型技术，以及减少污泥、残渣等二次污染物的产生。此外，减少处理过程中的二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)的直接产出和排放也是减碳技术的重要组成部分。
在环境工程领域，厌氧生物技术被认为是实现可持续社会环境能源方面的关键技术之一，我完全同意这一观点。我们的研究首先聚焦于厌氧消化技术，该技术不仅能有效处理污水和废弃物，也能够产生生物天然气，在能源供应方面提供一种清洁的替代能源方案。在市政工程领域，我们致力于研究污水污泥的厌氧生物处理。研究过程中，残留氮和磷的处理成为了一个挑战。在我年轻时，面对厌氧过程污泥产生量减少但氮磷问题未解决的问题，我曾选择回避。但今天，我可以自豪地宣布，我们有了解决方案——那就是厌氧氨氧化技术。这不仅是我今天演讲的主题，也是我们对环境工程领域厌氧生物技术贡献的重要一环。
我本人的研究领域从市政和产业废水处理逐渐扩展至农村农业领域，后者作为资源密集型行业，对于资源循环回收和可持续发展的研究具有重要意义。在此，我想用0-1图强调两点：一是生物质和废弃物的集中处理促进了循环回收，零一点是再生能源与低碳社会的有机结合。关于循环回收，我的观点与刚才同济大学所分享的案例不谋而合，但我特别强调两个关键点。
第一，当前我们将所有生物质及废弃物生物质集中处理，这增加了产甲烷链路的可能性。在日本的调查中，我们发现许多沼气工程依然面临可持续性发展的挑战，这涉及到能否创造经济效益以及如何有效处理沼液等问题。因此，如何将低碳和循环社会理念与可再生能源相结合，开展新的工作，成为了我们研究的重点。
第二，与再生能源的结合是我们研究的另一个重点。在中国，我们提出了“双碳”目标，即到2030年实现碳排放不再增加，到2060年实现碳中和。日本的目标更为明确和迫切，计划到2030年减少46%的碳排放。日本的下水道领域已经制定出2030年的具体路线图，并计算出实现这些目标的具体技术路径。我们讨论的未来污水处理系统结合节能和新能源，实现不产生二氧化碳的目标，并在未来进一步扩展，将社会上其他地方产生的二氧化碳纳入我们的系统中，实现固碳转化，这是一种全新的思路
在城市固废管理领域，垃圾分类与厌氧处理、沼气利用已成为新的发展方向共识。然而，通过广泛调查发现，沼液的处理和去向还是一个亟待解决的问题。特别是在市区农田较少的地区，沼液利用与土地资源的不匹配问题尤为突出。为了处理沼液，AOAO（多段厌氧-好氧）脱氮工艺虽然被广泛应用，但其高成本和高能耗的问题不容忽视。因此，厌氧氨氧化处理成为了更为理想的选择。
在城市污水处理领域，当前有许多创新理念和新工艺组合被提出。我个人认为，城市污水中的有机物和磷可以通过浓缩转化到测流沼气路径中，同时实现氮和磷的回收，从而对城市污水处理厂进行能源回收和低碳型工艺设计改良。
养殖业，如养猪、养鸡或养牛，也是有机废物管理不可忽视的一部分。以养猪业为例，中国年产5.5亿头猪，从环保角度来看，一头猪的污染排放当量相当于3-10个人的排放量。因此，养殖业的污水废物处理负荷高，工作量巨大，今后必须予以高度重视。
随着时代的发展，自动化和数字化技术在各行业中的应用日益广泛。对于有机固废管理和废水处理行业而言，如何利用这些技术进行转型升级，成为了一个亟待解决的问题。我们需要开发有效的传感器和控制模型，以提高处理效率和降低成本。根据我们的研究经验，产甲烷过程和Anammox（厌氧氨氧化）过程都可以实现自动控制，可以结合AI应用。组合利用甲烷发酵、厌氧氨氧化和磷回收技术，可以在废弃物和有机废水领域实现更优的工艺设计和组合创新。
关于甲烷发酵的研究成果介绍
在产业废水处理方面，UASB（升流式厌氧污泥床）、EGSB（颗粒污泥膨胀床）、IC（内循环流化床）、AnMBR（厌氧膜生物反应器）等工艺已被广泛应用于各个行业领域。
升流式厌氧污泥床 (UASB) 自 20 世纪 80 年代推出以来，至今仍是全球各类废水厌氧处理中最受欢迎和首选的厌氧反应器。厌氧膜生物反应器 (AnMBR)具有更高的去除效率、更高的甲烷产量、更好的不含 SS 的出水水质，以及能够将反应器体积缩小到传统厌氧消化器的约1/5。其中，UASB反应器的处理性能很大程度上取决于厌氧污泥的颗粒化程度。造粒过程的本质是污泥颗粒的连续选择，丝状乙酸型产甲烷菌的大量富集在造粒的初始阶段起非常关键的作用。
厌氧膜生物反应器是一种耦合了厌氧消化和膜分离的新型生物处理技术，与传统厌氧生物处理比较具有能源回收率高、污泥产量小、出水COD浓度低等优势。过去40年已经在工业废水, 有机固体废弃物以及城市污水的资源、能源化领域开展了广泛的研究。与传统厌氧消化技术相比，厌氧MBR通过膜分离过程延长了污泥停留时间，维持反应器中高生物量，促进了物质分解及甲烷转化，极大提高了厌氧消化的效率。
在造纸废水、食品废水、合成化工废水等领域，日本的基础应用实验研究多由我们研究室完成。通过对这些技术的研究，我也培养了许多学生，并希望他们未来能加入沼气学会，为行业的发展做出更多贡献。关于AnMBR技术，如清华大学王凯军教授所言，我们已经研究了20年。现在，我认为AnMBR可以根据低浓度和高浓度系列进行合理设计和灵活应用。厌氧MBR工艺运行相对复杂，自控系统和未来AI控制的应用将变得更加重要。
厌氧氨氧化技术作为一种新型高效的污水脱氮技术，近年来受到了广泛关注。在基础理论研究方面，涉及到化学热力学、化学计量生化反应式、厌氧氨氧化细菌的特性、反应动力学、微生物解析以及代谢能力等已经比较清楚。工艺开发和应用方面，也已经有很多成熟工艺技术和应用案例。工艺研究存在多种方法，如序批式反应器（SBR）和连续流反应器，还可分为一段工艺和两段工艺，微生物种群形态包括微生物絮体，生物膜和颗粒污泥。
就个人而言，我认为连续流反应器更受青睐，因为它能够实现污水处理的连续性，即污水从一侧进入，经过处理后从另一侧排出，达到理想的连续状态。在实际操作中，通过控制温度、pH值、溶解氧（DO）、游离氨（FA）、游离硝酸盐（FNA）和无机碳源等环境参数，可以确保厌氧氨氧化过程的顺利进行。启动厌氧氨氧化过程的一个主要难题是缺乏种污泥和不确定的启动程序。此外，现场操作人员的培训和自动化设备的不足也是启动过程中的挑战。如果这些方面得到改善，包括自动预控系统和全自控系统的实施，可以显著减少工作量。
接下来，我将简要介绍我们团队在厌氧氨氧化技术方面的研究成果。我们课题组的Anammox实验研究从2011年开始。首先开发了厌氧氨氧化EGSB工艺，该技术能够实现超高负荷条件下的稳定运行。其次，我们还研究了流动载体型一段式PNA工艺，通过在功能载体上培养厌氧氨氧化生物膜和沉淀池截留AOB，实现生物膜系统的稳定运行。
近几年，我们在HAP-EGSB反应器的研究基础上，进一步开发了两段PN（部分亚硝化）和HAP-AMX（厌氧氨氧化）的新工艺，实现完全自控运行，有效解决了前端和后端不匹配以及厌氧氨氧化菌流失的问题。下图是一个小型中试的实验装置。
我们已经对上述一段法在城市污水厂进行了中试规模（20 m3/d）验证运行，我们采用了一座装置，四套工艺的系统，有效的实现了碳、氮、磷的有效去除与能源回收，验证了全自控系统的可行性。相关论文已经发表，供同行参考。此外，我们近期正在餐厨垃圾甲烷发酵厂开展两段PN（部分亚硝化）和HAP-AMX（厌氧氨氧化）的新工艺的中试（2 m3/d）验证和智能化装备改良。
通过过去十几年的应用基础研究和小试，中试验证，我们认为厌氧氨氧化技术在污水处理和废弃物处理领域具有巨大的应用潜力。特别是耦合利用甲烷发酵，厌氧氨氧化和HAP型磷回收3个关键原理，通过不断的技术创新和工艺组合优化，能够提高处理效率、降低成本，并实现资源的循环利用。未来，我们期待更多的研究者和从业者加入这一领域，共同推动环境保护事业的发展。
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