- 研究背景 -

活性污泥法的应用提高了污水处理厂中脱氮除磷过程的效率，但同时也产生了大量的剩余污泥（waste activated sludge，WAS）。剩余污泥组成复杂，不仅含有未被利用的有机成分与营养元素，还含有病原体、持久性有机物污染物、重金属等有害物质。若处理不当，污泥中的有机质分解会产生恶臭、释放温室气体，其有害成分会在环境中迁移，对土壤或饮用水源造成严重的污染。然而，污泥结构中含有丰富的蛋白质、多糖等可生物降解的有机基质，可以通过厌氧消化过程转化为甲烷等有经济价值的产品。因此，厌氧消化技术被认为是一种绿色、经济且成熟的污泥处理方式。

但是，目前污泥厌氧消化所能达到的效果仍然有限，这是因为大部分有机物都被包裹在复杂的胞外聚合物和微生物细胞内，使得甲烷产量低下。针对这一问题，现有研究提出了多种污泥预处理方式，然而这些预处理方式往往依赖于外界的能量或化学试剂投入，降低了厌氧消化技术的经济性与可持续性。因此，原位实现废物的资源化利用具有重要的研究意义。

- 研究亮点 -

◇ The maximal methane accumulation was elevated by 23% after urine pretreatment.

◇ Urea and hydrolyzed free ammonia synergistically stimulated sludge destruction. 

◇ Hydrolytic and acid-producing bacteria were enriched after urine pretreatment.

◇ Free ammonia was the critical factor for suppressing all bio-processes. 

◇ Metal ions were analyzed to alleviate the inhibition on bio-processes.

- 结果与讨论 -

在该研究中，首次验证了通过尿液废水预处理剩余污泥提高其厌氧消化过程甲烷产量的可行性。实验结果表明，最优实验组中甲烷产量可达158.8 mL/g VSS，相对于空白对照组而言提高了23%（图1）。

Fig. 1. Cumulative methane production in the control and urine-pretreated digesters during anaerobic WAS digestion (A), fitting results of methane production via first-order model (B).

机理分析结果表明，尿液预处理有利于提高污泥的裂解效率。例如，当预处理过程中尿液的体积分数占总反应体积的1/4时，溶解性蛋白质和多糖的含量对比空白对照组分别提高了10倍和4.3倍（图2），为后续的微生物过程提供了更多的可利用底物。

尿液中的尿素水解后形成的游离氨几乎抑制了所有的微生物过程，如水解、酸化、甲烷化过程等；但尿液中存在的其他物质，如金属离子等似乎能够缓解游离氨带来的抑制作用，进而有利于甲烷的生成。该研究为高效回收剩余污泥中的有机碳和实现碳中和社会提供了一种新的思路。

Fig. 2. Soluble COD contents and sludge crack degree (A), and concentrations of soluble proteins and polysaccharides after 24-h WAS pretreatment with different urine proportions.

- 总结与展望 -

污泥中含有的丰富的有机物质若不经过适当的处理，会对环境造成一定的污染；但另一方面，通过厌氧消化技术，污泥中的有机质可以有效地转化为甲烷等生物质能源。然而，由于复杂的胞外聚合物和微生物细胞的包裹，厌氧消化过程通常需要通过一定的预处理手段来加速污泥中有机物破壁溶出的过程，进而提高整体的消化效率。现有的物理、化学与生物预处理技术，如超声、碱预处理等，往往需要向消化系统中输入和投加额外的能量与药剂，降低了厌氧消化技术的可持续性。

尿液中含有丰富的氮磷元素，为现阶段的污水处理过程带来了较大的压力。尿液源分离技术的概念一经提出，便引起了极大的关注。收集储存的尿液的后续利用方式，也引起了广泛的讨论。尿液中含有大量的尿素，尿素水解后又能形成高浓度的游离氨。若将其应用到污泥处理系统中，不仅能够促进污泥中有机物的溶出，提高厌氧消化效率，还能实现尿液废水的资源化利用。最终，尿液中的氮磷元素还能和污泥中的氮磷元素一起通过鸟粪石等形式进行回收，作为化学肥料的补充来源。

综上所述，尿液预处理剩余污泥进行厌氧消化能够经济、高效、绿色地实现废物中能源与资源的回收。但是实际尿液废水的应用场景与经济价值还需要进行进一步的评估与分析。