《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Feasibility of anaerobic digestion/phytoremediation/co-pyrolysis pathway for textile industrial wastewater valorization: Performance, life cycle assessment, and techno-economics
Derrick Dadebo|Mona G. Ibrahim|Manabu Fujii|Mahmoud Nasr
埃及-日本科学技术大学（E-JUST）环境工程系，亚历山大，21934，埃及
摘要
本研究建立了一种结合生物消化和植物修复的系统，用于处理纺织废水（TWW），并通过共热解技术实现污泥和植物生物质的增值。研究了生物炭和污泥管理对环境的影响，以及整个项目生命周期内生物甲烷（CH4）回收的盈利能力。实验中使用了一种上流式厌氧污泥毯生物反应器，并添加了基于锯末的生物炭，水力停留时间（HRT）范围为6–24小时，持续运行125天。结果表明，添加生物炭的厌氧消化（ADB）单元在脱色能力、化学需氧量（COD）去除效率以及甲烷产量方面比未添加生物炭的消化器高出47–52%。最佳植物修复效果在pH值为7.35、P. stratiotes植物密度为3.84 kg/m2以及水力停留时间为10小时时获得。经生物炭改良的厌氧消化系统处理后的出水中的染料、COD和NH4–N浓度分别约为0 mg/L、49.80 mg/L和1.36 mg/L，表明该系统可用于非饮用水用途。将污泥消化物和植物生物质在550°C下共热解2小时后，生物炭的产率为0.463 g/g，通过产品销售和碳信用增加了项目的经济可行性。由于这种生物炭的O:C原子比小于0.2，因此ADB/植物修复/共热解系统的环境经济可行性具有5.43年的投资回收期。此外，还估算了盈利能力指标，并进行了生命周期评估（LCA），以减少TWW、污泥和废弃生物质处理对环境的影响。通过扩大库存数据规模并量化不同气候条件下的生态/人类健康风险，可以进一步提高LCA的中点/终点评估结果。
引言
工业染色过程会产生大量含有偶氮染料化合物的纺织废水（TWW）[1]。尽管这些化合物在纺织工业中至关重要，但直接排放到水环境中会限制阳光穿透[2]。这一挑战还伴随着光合作用的抑制、水体中有机物质的增加以及氧气耗尽[3]。此外，这些染料的直接排放对人类健康（例如致癌芳香胺的形成风险）和周围陆地环境（如土壤和灌溉系统）也有严重危害[4]。因此，处理含有偶氮染料的TWW是一个重要的研究课题，以避免致癌性、致突变性、皮肤炎症等问题，特别是对儿童和脆弱人群的影响。
微生物降解是一种生物过程，可用于分解和脱毒含偶氮染料的废水，同时产生一些有益的副产品。例如，厌氧消化（AD）系统能够通过断裂偶氮键和发色团（即负责颜色的部分）来处理TWW[5]。这些系统还能产生环保的产品（如生物甲烷（CH4）[6]。这些产物的销售（如废水再利用和沼气的收入）可以提高项目的利润和净现值（NPV）[7]。然而，顽固偶氮染料的生物降解可能受到共生氧化细菌与CO2还原甲烷菌之间电子传递效率不足的限制。在这种情况下，各种有毒化合物（如染料物质和降解代谢物）会在生物消化器底部积累[1]。这些物质会通过破坏细胞膜严重抑制甲烷生成活性，进一步降低CH4的回收效率[8]。最近的研究表明，在高速厌氧消化系统中使用生物炭作为氧化还原介质（如上流式厌氧污泥毯（UASB）[9]、上流式厌氧固定床反应器[10]和厌氧序批反应器[6]）可以促进微生物增殖并加速微生物与染料之间的电子传递[11]。然而，在厌氧条件下，偶氮染料的降解会产生有机物质（如芳香胺），从而增加化学需氧量（COD）浓度，进而降低出水质量[12]。因此，需要一个后处理阶段来确保最终出水符合排放和/或再利用标准[3]。由于大多数发展中国家缺乏电力供应和财政资源，这种后处理单元应结构简单、能耗低，使用天然材料和可用生物质进行操作。
近年来，植物修复被认为是一种环保且成本效益高的技术，用于处理厌氧消化器的出水。该过程利用当地可获得的材料（如砾石、沙子和土壤）进行建设[13]。具体来说，多种浮游水生植物可以通过其广泛的根系有效吸附残余染料和其他有机化合物[4]。这一过程无需额外的能源（如曝气或加热）即可实现污染物的吸收和微生物降解[14]。这些根系还为残余铵（NH4-N）硝化为硝酸盐（NO3-N）提供了适宜的环境[15]，符合可持续发展目标（SDG）#6（清洁水和卫生），特别是目标6.3，即改善水资源质量。使用水生植物Pistia stratiotes进行植物修复是可行的，因为它适应性强、耐受各种环境条件、生长迅速、生物质产量高[16]。Ntakiyiruta等人[17]发现，这种植物具有较大的比根表面积，有助于微生物生物膜的发展，从而从TWW排放物中捕获更多染料分子。P. stratiotes可以在五周内将工业和家庭废水中的COD降低99%、生化需氧量（BOD）降低98%、氨降低70%、磷酸盐降低73%、硝酸盐降低91%[18]。该植物还在14天内有效处理了豆腐废水，去除84%的COD、95%的BOD、42.3%的氨和88%的悬浮固体[16]。然而，收集并焚烧用过的生物质会对人类健康造成危害，因为会释放大量二氧化碳[19]。此外，这些废弃生物质在土壤中的积累会导致营养物质渗漏，进一步污染地下水[20]。因此，应妥善管理含有染料化合物的植物生物质，以最小化二次污染风险并提高植物修复作为废水后处理过程的可持续性。
厌氧污泥和植物修复后的生物质含有丰富的营养物质、有机物、病原微生物和其他有害物质（包括染料分子[19]）。因此，对这些生物废物的适当处置和管理对于保护人类健康和实现SDG#15（例如目标15.1，即保护和维护土壤环境）至关重要[21]。传统的固体废物处理方法（尤其是焚烧和填埋）在全球许多地方受到限制，因为它们会产生有毒渗滤液和有害气体[22]。热处理（如热解，300–900°C）被认为是去除污泥[23]和废弃植物生物质[20]中有害成分的有效方法。这一过程可以产生增值产品，如生物炭、热解油和/或合成气（见补充表S1），促进整个设施生命周期内自然资源的可持续利用。同时，将污泥与其他生物废物（如锯末[24]、芦苇秸秆[25]、啤酒糟[26]和废弃植物Phragmites australis[19]）共热解，可以生产出具有更好物理化学特性的生物炭[26]。这些特性包括多种功能基团、较高的营养含量和较少的有害元素，使得生物炭具有很强的抗微生物攻击性[26]。因此，共热解可能是同时实现污泥和植物生物质增值的有前景的技术（见补充表S2，了解不同生物废物的共热解过程）。然而，这些研究主要集中在量化产生的生物炭与液体和气体副产品的比例上，因为收集、储存和纯化生物油和合成气存在技术限制[25][27]。尽管如此，将生物炭作为这种废物增值途径的主要副产品，可以通过提高土壤肥力（目标2.4）、作为长期碳汇（目标13.2）和恢复退化土地（目标15.3）来实现目标2.4。因此，应基于项目生命周期和经济可行性标准，评估综合AD/植物修复/共热解方案的环境可持续性和盈利能力。
据作者所知，推进TWW处理中厌氧消化系统的主要挑战与处理后出水标准、污泥处置对土壤的损害风险（如生物多样性丧失）以及系统环境技术经济可行性的不足证明有关（见补充表S3）。本研究通过结合生物炭改良的厌氧消化（ADB）和植物修复工艺来处理TWW，随后通过共热解技术实现污泥和植物修复后生物质的增值，从而解决了这些关键研究空白。为了提高项目的可持续性和商业化潜力，本研究的目标有四个方面：（i）评估生物炭改良的UASB反应器在双重TWW脱毒和沼气回收方面的性能；（ii）评估P. stratiotes在TWW后处理中的植物修复效率；（iii）通过共热解技术实现厌氧污泥和植物生物质的增值，并描述合成生物炭的表面形态、表面官能团和元素组成；（iv）定量评估提出的生物消化/植物修复/共热解项目的环境效益/负担（即生命周期评估的中点/终点评估，LCA）以及技术经济可行性（净利润、内部收益率、NPV和投资回收期）。通过这些目标，本研究将为废水领域的循环经济和零废物倡议铺平道路，特别是在发展中国家，旨在实现SDG目标12.5，确保废物的回收和利用。
废水、接种物、生物炭和水生植物种类
为了模拟最近研究中使用的真实纺织工业废水的特性，制备了合成TWW[3]、[14]、[30]（表1）。该喂养溶液由葡萄糖（1.3 g/L）和甲基橙（MO）偶氮染料（0.1 g/L）加入自来水制成。还提供了必要的缓冲剂和营养源（见补充表S4）。种子污泥来自当地的市政污水处理厂。
生物炭改良厌氧消化TWW处理的效果（实验#1的结果）
本节提供了关于生物炭添加对UASB系统处理TWW的厌氧生物降解影响的见解，具体评估了MO染料的脱色效果、COD去除率和生物甲烷产量（图3）。
结论
本研究建立了一种新的集成生物消化/植物修复/共热解途径，作为一种技术环境经济可行的方法，用于处理纺织废水（TWW）并实现污泥和植物生物质的增值。添加生物炭的UASB反应器（ADB）在染料脱色、COD降解和甲烷产量方面分别比普通UASB（即不含生物炭的污泥）提高了51.8%、47.5%和50.7%。
伦理批准
资金
CRediT作者贡献声明
Derrick Dadebo：撰写——原始草稿、方法论、数据分析。Mona G. Ibrahim：可视化、监督。Manabu Fujii：监督、概念设计。Mahmoud Nasr：撰写——审稿与编辑、可视化、监督、概念设计。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
第一作者感谢TICAD8提供的资金支持。同时，我也感谢日本国际协力机构（JICA-Japan International Cooperation Agency）提供了完成本研究所需的所有设备和设施。
