通过厌氧消化直接从原始废水中回收碳用于生物能源生产

《Bioresource Technology》：Direct carbon recovery from raw wastewater for bioenergy production by anaerobic digestion

本研究提出了一种整合生物絮凝剂碳回收与微藻辅助营养去除的创新策略。采用壳聚糖季铵化物（HACC）作为絮凝剂，在初始pH7、投加量8mg/L条件下，实现75.1%的化学需氧量（COD）回收率。经45天35℃厌氧消化后，污泥产甲烷量达317.2 mL/g VSS，挥发性悬浮固体（VSS）降解效率41.5%，验证了碳源回收与能源转化的可行性。该工艺显著降低能耗与碳排放，为废水资源化提供新思路。

　　

孙颖雪|李冀|罗少平|刘英辉|R.D. Tyagi|张小蕾

哈尔滨工业大学（深圳）生态与环境学院，中国深圳518055

摘要

废水富含碳，通常以化学需氧量（COD）表示。在本研究中，通过絮凝从原始废水中回收碳，并将其转化为生物能源。壳聚糖季铵盐（HACC）表现出优异的性能，在以下条件下实现了75.1%的COD回收率：初始pH值为7，投加量为8 mg/L，以100 rpm的速度快速搅拌2分钟，然后以60 rpm的速度缓慢搅拌10分钟。所得污泥在35.0°C下进行厌氧消化45天，甲烷产率为317.2 mL CH₄/g VSS，VSS降解效率为41.5%。这证明了从废水中浓缩碳源以用于能源回收的可行性。提出了一种结合基于絮凝的碳回收与微藻辅助营养物质去除的理论工艺，显示出显著降低能源消耗和温室气体排放的潜力。这些发现为高效废水资源化提供了一种有前景的策略。

引言

基于碳源富集的能源自给自足工艺在废水处理中引起了广泛关注，因为它解决了碳中和的需求。当前的废水处理采用活性污泥工艺来去除有机碳、氮和磷。在这一过程中，曝气消耗大量能源（McCarty, 2018; Wu et al., 2024; Zhang and Liu, 2021b）。此外，在此过程中，大约70.0%的有机碳被转化为二氧化碳。总体而言，当前的废水处理方式并不符合碳中和的概念。从废水中回收有机碳并将其用于能源生产可能是实现废水处理碳中和的一种选择（Zhang and Liu, 2021a）。

事实上，市政废水的平均潜在化学能量为16.2 kJ/g COD。这意味着对于COD浓度为500 mg/L的典型生活废水，其理论有机化学能量可达到22.6 kW·h/m³（Wan et al., 2016）。这是大量的能量。然而，在传统的废水处理过程中，这些能量被浪费成了CO₂。鉴于污水中蕴含的巨大有机化学能量以及减少其碳足迹的必要性，将废水处理工艺从“传统污染物降解路径”转变为“新型能源利用路径”已成为一个关键课题。直接从原始废水中捕获有机碳源是最有吸引力的方法。

从原始废水中捕获碳的传统策略包括高速率活性污泥工艺（HRAS）、膜分离技术和化学强化初级处理（CEPT）。尽管HRAS能够通过活性污泥快速捕获有机碳，但它常常导致好氧阶段COD的矿化，从而降低了整体碳回收潜力。膜工艺可以有效浓缩有机物，但常受到膜污染和高维护成本的阻碍。相比之下，CEPT可以提供高碳回收效率，操作简单且易于集成到现有的废水处理基础设施中。在絮凝过程中，向废水中添加絮凝剂以捕获COD，并在沉淀后将其保留在污泥中。此外，厌氧消化结合热电联产仍然是废水处理中污泥稳定化和能源回收的传统有效途径，尤其是在碳捕获之后。

CEPT中最常用的无机絮凝剂是FeCl₃、Fe₂(SO₄)₃和Al₂(SO₄)₃，这些絮凝剂与化学强化磷去除方法类似（Chakraborty et al., 2017; Chen et al., 2019; Tondera et al., 2024）。显然，这将产生大量无机污泥。然而，许多研究表明，在整个厌氧消化过程的各个阶段，无机絮凝剂离子会带来不利影响。无机絮凝剂的存在可能阻碍污泥中有机底物的分解（Wei et al., 2018），降低微生物或关键酶的活性（Cabirol et al., 2003），并减少沼气的产生（Smith and Carliell-Marquet, 2009）。此外，聚合物絮凝剂产生的单体化合物对微生物有毒，导致环境损害（Liu et al., 2019b）。

为了高效回收废水中的碳源而不影响后续污泥处理，考虑使用生物絮凝剂，因为与无机絮凝剂相比，生物絮凝剂具有可生物降解的优势（Ergas et al., 2016）。其中，壳聚糖（CTS）是一种通过脱乙酰化壳聚糖获得的天然多糖，已被广泛研究作为生物絮凝剂。此外，羧甲基壳聚糖（CMC）（Ma?czak et al., 2023）和通过羧基化反应及季铵化修饰得到的HACC具有更高的水溶性和更多的吸附位点，可用作优良的水处理材料。Hua et al.（2024）证明，在固态絮凝过程中，高溶解度的HACC去除了86.0%的浊度和64.0%的COD。Aramesh et al.（2021）研究了多种基于壳聚糖的材料，指出其丰富的–NH₂和–OH官能团对污染物结合和吸附性能有显著贡献。然而，CTS及其衍生物已被报道为工业废水中去除重金属和染料的环保安全替代品。很少有研究将其应用于废水处理中的碳源捕获和回收。

本研究提出了一种将基于生物絮凝剂的碳回收与厌氧消化相结合的新策略。特别选择了用于从原始废水中回收COD的絮凝剂，并研究了最佳条件。回收的COD被转化为沼气，并评估了絮凝剂对沼气生产的影响。根据结果，该工艺实现了高碳源回收效率和正的能量平衡。此外，还研究了该工艺的能源消耗和碳足迹，以指导未来的废水资源化方向。

部分摘录

生活污水

实验生活污水每两天从中国南部某校区住宅区的化粪池出水中收集一次。筛选后，污水在4.0℃下储存以供进一步使用。生活污水的质量详见补充材料（表S1）。

接种污泥

使用厌氧消化污泥（ADS）作为厌氧消化过程的接种剂。ADS取自中国深圳某废水污泥处理厂的厌氧消化池。

絮凝剂的选择

在不同絮凝剂作用下测试了从废水中回收碳（本研究中的COD）的效果。由于COD、NH₄⁺-N和TP被视为废水中的污染物，因此通过它们的去除程度来衡量这些污染物的捕获情况。各种絮凝剂对污染物的去除效果见表1。所有三种基于壳聚糖的生物絮凝剂在相对较低的投加浓度下均实现了高污染物去除率。它们的最佳投加量分别为

结论

可以得出以下结论：(1) HACC在仅8 mg/L的低投加量下实现了高达75.1%的COD回收率，这突显了其在减少化学品使用和减少多余污泥方面的操作优势。(2) 通过HACC絮凝得到的污泥适合厌氧消化，表现出与WAS相当的可靠甲烷生产性能，而使用无机絮凝剂得到的污泥则表现出抑制作用。(3) 整个过程具有成本效益

CRediT作者贡献声明

孙颖雪：撰写 – 原始草稿，数据可视化，数据管理。李冀：指导，资金获取。罗少平：数据可视化，数据管理。刘英辉：方法学研究，数据管理。R.D. Tyagi：指导。张小蕾：撰写 – 审稿与编辑，资金获取，正式分析，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。