博冠城市污水处理厂污泥中能源物质利用的研究进展

最近几年来跟着都会化进程的加快以及都会人口的年夜量增加，都会糊口污水排放量以及都会污水厂负荷也随之不停增长。2014年，我国的城镇污水处置惩罚威力已经经到达 1.57亿m 3/d，较2013年新增约800万m3/d。活性污泥法是我国常见的污水处置惩罚体式格局，由此致使年夜量的污泥孕育发生，估计到2020年我国污泥年产量将冲破6 000万t。传统的市政污泥处置惩罚措置体式格局重要是卫生填埋、点火以及地盘哄骗等。跟着国度有关食物保险、农业及污泥措置规范中对于生物固体于农业中的运用尺度及情况掩护尺度的日趋严酷，污泥的传统处置惩罚措置体式格局遭到了限定，是以污泥的资源情况问题日趋突显。

污泥中无机物含量较高，可以出产沼气、生物燃料(氢气、合成气、生物柴油等 )等一系列能源物资，是以对于污泥中能源物资的收受接管哄骗惹起了人们的存眷。为此，本文综述当前海内外对于污泥中能源物资收受接管哄骗的近况，切磋有关特色以及问题，并试图瞻望将来的成长标的目的。

一、污泥中能源物资的性子以及特色

污水厂污泥是一类含有微生物，未消化的无机物如纸、动物残渣、油、分泌物等，有机物及水份的繁杂的非均质混淆物。经由过程阐发污泥的物理化学性子，可以更有针对于性地对于其有效组分举行收受接管哄骗。污泥中的无机身分是能源哄骗存眷的重点。表1列出了未经处置惩罚以及经消化后的污泥的物资构成。

由表1可见，污泥的热值较高，可以或许举行热能哄骗产能，但同时需留意污泥中有毒无害物资的二次污染问题。

二、污泥中能源组分的收受接管哄骗

2.1 污泥消化产沼气

污泥厌氧消化技能运用较为广泛，但通例厌氧消化工艺存于污泥降解率低，逗留时间长及沼气产气率低等问题，且其处置惩罚的污泥含固率凡是较低(3%~5%)，需要装备体积年夜，增长了资金投入。针对于以上问题，海内外学者一方面经由过程改良污泥厌氧消化机能，晋升沼气产率，同时针对于高含固率污泥厌氧消化技能开展了各种运用型研究。

Zhang等将猪粪与脱水的污泥以2：1举行混淆厌氧消化使甲烷的产率晋升了 82.4%。别的有试验研究注解污泥与厨余垃圾混淆处置惩罚可于必然水平上改良厌氧消化机能，晋升沼气产气率。污泥中微生物细胞壁的水解历程是厌氧消化的限速阶段，经由过程对于污泥举行预处置惩罚可以粉碎微生物细胞布局，晋升厌氧消化速度。 xie等的研究注解经超声处置惩罚后污泥消化的产宇量获得提高。别的，污泥经热水解超声结合预处置惩罚后厌氧消化产气机能相较在零丁热水解及零丁超声预处置惩罚均获得了较着的晋升。

高含固率污泥厌氧消化工艺因具备产气效率高、处置惩罚负荷高、装备体积小、投资低等上风成为近期研究热门。吴静等研究了热水解(70℃)一高温厌氧消化工艺处置惩罚高含固率(8%～9%) 残剩污泥(中试)的效果 ，该工艺无机物去除了率及甲烷产率与传统污泥厌氧消化项目相称。经由过程优化高含固率污泥厌氧消化工艺前提参数(C/N、接种量、搅拌频次等)，或者对于污泥举行热碱预处置惩罚等都可获得较高的产宇量以及较好的消化效果。当前我国需于项目设计与运转方面临高固污泥消化举行充实研究，以实现其工业化运用。

2 .2 污泥转化为生物燃料

2.2.1 由污泥出产氢气

污泥制氢接纳的要领有生物法 (生物发酵 )以及热化学法。生物发酵制氢技能的研究重要集中在对于各种预处置惩罚要领、发酵影响要素的摸索及污泥与无机烧毁物混淆发酵制氢。经由过程对于污泥举行预处置惩罚，既能筛选产氢菌，又能破碎污泥细胞，提高无机物的可哄骗性，增长产氢量。Kim等研究了差别预处置惩罚要领对于消化污泥零丁制氢及污泥与食品残渣混淆制氢的效果的影响。哄骗都会无机固体烧毁物与污泥配合发酵也能获得较高的氢产量。当前的研究年夜部门基在间歇造就试验，而持续产氢是实现污泥生物发酵制氢工业化的根蒂根基。M assanet— N icolau等于一个持续进料生物反映器中将水力逗留时间节制为24 h，实现了3 d持续不变产氢。怎样晋升污泥持续产氢威力及产氢不变性是此后污泥生物制氢研究的要害问题。

污泥热化学法制 氢包孕热解、气化等。研究注解污泥含湿量越年夜，温度越高，越有益在氢气的天生。超临界水(SCW )因具备极强的氧化力以及交融力等特征被用在污泥的气化产氢研究中。超临界水气化 (SCWG )不只能得到较高的转化率，且对于在含水率较高的底物无需举行干燥。 xu 等的试验注解水份含量76.2～ 94.4wt%的污泥可以或许于超临界水中间接气化。表2总结了部门研究者们哄骗污泥于超(亚)临界水中举行气化产氢的试验成果。

比力SCWG法与厌氧消化法处置惩罚初沉污泥发明前者运转历程所需输人的能量年夜在后者。凡是当污泥固体浓度高15%时，举行SCWG制氢的工业运用才具备现实意思。SCWG制氢是一种颇有成长远景的污泥能源化技能，但现阶段仍需增强实验研究，优化反映前提，研制高效催化剂，提高产氢效率的同时降低运转能耗。

2.2-2 由污泥出产合成气

合成气是H与CO的混淆气体。合成气不只可以作为能源气体产热发电，还能作为原料进一步合成醇、醚、烃类等化工产物。制备合成气的传统要领为以传导加热体式格局为主的热裂解技能，但凡是存于热效率低，合成气比例小等缺陷，于是可接纳微波加热法来提高热解效率。微波可以或许间接作用在份子或者原子通报能量，可极年夜地降低传热阻力，具备穿透速度快，热解效率高，耗时少，节约能源等长处。Dominguez等哄骗微波加热高温热解污泥，合成气比例最年夜可达66%，高在传统加热热解法。别的有试验研究注解于污泥中插手高吸波物资如活性炭、碳化硅等可以提高污泥的加热温度以及加热效率，增长合成气于气体产品中的比例。

今朝污泥热解产合成气的研究重要集中在增长合成气比例及产宇量的工艺前提优化上，而对于污泥中含氮、含硫物资的反映转化机制、开释纪律等研究则较少。热解历程中含氮、含硫气体的开释不只会降低合成气的质量，还会形成二次污染，是以对于这些物资的孕育发生机制举行阐发并提出污染节制办法是此后的研究重点。

2.2.3 由污泥出产生物柴油

出产生物柴油的原料凡是为动物油或者植物脂肪，动物油较为昂贵，仅原料成本就占生物柴油出产成本的7O%~85%t。 污泥数目多，来历广，且含有较多的油脂，可作为制备生物柴油的原料。图 1展示了由污泥制备生物柴油的正常流程。

污泥制备生物柴油分一步法 (原位法 ) 以及两步法，一步法是由污泥间接举行转酯化，两步法是用溶剂提取污泥中的油脂后再举行转酯化。Dufreche等发明原位法获得的生物柴油产率高在两步法。白小娟的试验成果注解初沉污泥、二沉污泥以及浮渣污泥经两步法获得的生物柴油产率均较着低在原位酯基转移法。这是因为污泥微生物细胞中含年夜量脂质，提取剂很难将其提掏出来，是以需要对于污泥细胞举行破壁处置惩罚。经常使用的破壁体式格局有菌株自溶法、超声破碎法、高压均浆破碎法、化学破碎法、微波破碎法、酶处置惩罚法、冻融法等。Mondala 等探究了影响原位法制备生物柴油产率的要素，获得产率最年夜化前提。表3对于比了接纳差别要领于差别前提下污泥制生物柴油的产率。

今朝关在污泥制生物柴油前提最优化的研究较多，而对于在怎样增长污泥自己的油脂含量则存眷较少。有研究注解经由过程对于污泥举行特定造就可以增长污泥脂质含量，当造就液中C/N 为 70：1 时生物柴油产率为原污泥的4.6 倍。别的，于污水中增添产油微生物也是此后污泥增脂研究存眷的标的目的之—。

2 .3 微生物燃料电池(MFC )污泥产电

MFC技能的污泥哄骗体式格局分为污泥间接作底物产电以及污泥预处置惩罚后产电两种。 赵庆良、贾斌 、郑蛲等间接以污泥为底物乐成启动了微生物燃料电池，实现了污泥降解以及同步产电。现阶段的研究注解，间接哄骗污泥举行MFC产电可获得400～700 mV 的电压及40～250 mW/m或者 3～30 W/m3的输出功率密度。影响MFC产电机能的要素有离子增添剂的品种及投加量、DH值、电池阳极面积、阴阳极间距、阴极质料、消融性化学需氧量(SCOD) 等，经由过程对于这些要素举行探究可以提高MFC的产电电压及输出功率密度。

污泥中的无机物年夜部门是细胞物资，细胞壁拦截了产电微生物对于细胞内部无机物的哄骗，限定MFC的产电效率，是以需对于污泥举行预处置惩罚，粉碎细胞壁，提高消融性无机质的浓度。当前研究中的预处置惩罚体式格局有微波处置惩罚、超声波处置惩罚、外貌活性剂处置惩罚、酶处置惩罚、加热处置惩罚、碱处置惩罚等，与间接接纳污泥作为燃料比拟，其 MFC输出功率密度均获得提高。表4对于比了以污泥为燃料的各种M FC的产电效果 。

今朝以污泥为燃料的MFC产电研究面对的问题有：(1)MFC的电压及输出功率密度过低，不变性不高;(2 ) 污泥降解率低，减量化效果有待晋升;(3 )污泥中无害物资转化机制未明确; (4 ) 污泥举行MFC产电后残剩物资的措置问题;(5 )建造MFC的阴极质料、膜质料以及阴极催化剂较为昂贵，MFC 造价较高。 是以，此后需增强对于污泥MFC产电特征及基量变化的研究，寻觅适合的污泥预处置惩罚要领晋升污泥降解率，研制高效重价的阴极质料及膜质料降低MFC成本。

2.4 污泥协同点火

将污泥脱水后点火处置惩罚既实现了污泥的减量化，同时还能以热能或者电能的情势举行能源的收受接管哄骗，是今朝运用较多的污泥措置体式格局。 但污泥间接燃烧耗能年夜，装备繁杂，且会孕育发生粉尘、二嗯英、重金属、酸性气体等，对于情况风险较年夜。于是当前的研究多集中在污泥的协同点火措置，包孕燃煤电厂污泥协同点火、水泥窑污泥协同点火以及垃圾点火厂污泥协同点火等，此中又以水泥窑协同措置的研究 较多。

水泥窑协同点火污泥具备无机物分化完全、按捺二嗯英造成、不孕育发生飞灰、固化重金属等特色，同时污泥可以取代燃煤用在水泥熟料煅烧，实现对于污泥热值的有用哄骗。用污泥出产水泥可以降低14 %的生料用量， 同时削减约70 %的化石燃料耗损。海内外学者针对于污泥掺烧量、污泥掺烧对于熟料及情况的影响等对于水泥窑污泥协同点火开展了广泛的研究。张智等研究发明掺加污泥对于水泥熟料的机能没有孕育发生影响。别的有研究注解当污泥掺量于6 % ~12 %时都能获得及格熟料，且污泥的掺入对于生料的易烧性起到了改良的作用。Rodrigue等发明污泥的插手降低了水泥中游离氧化钙的含量。水泥窑协同点火污泥的情况影响重要包孕污泥烘干时孕育发生恶臭气体，水泥生料促成污泥以及煤燃烧历程中燃料型NOx 的天生，高挥发金属元素随烟气排出污染年夜气等。此后的研究需重点存眷污泥烘干废气及协同点火烟气污染物的排放及节制。

三、结语

污泥的处置惩罚措置是当前都会污水处置惩罚厂面对的重要问题之一，对于污泥举行能源化哄骗现已经取患上定的研究结果。污泥厌氧消化产沼气已经实现了工业运用，但相对于在外洋成熟的工艺技能，我国仍需对于厌氧消化工艺，尤为是高含固率污泥厌氧消化工艺的项目设计及运转方面举行深切研究。污泥生物发酵制氢耗能少，成本低，但今朝对于持续产氢的研究还未取患上较好的结果。热化学法污泥制氢转化率较高 ，但装备体积年夜，能耗高，必需优化热解气化前提，研制高效催化剂，晋升氢产率的同时降低能耗。热化学法制氢及合成气需对于方针产品举行净化，去除了污染气体。污泥制生物柴油以及MFC污泥产电技能的研究尚处在起步阶段，但两者的运用远景极为广漠。增长污泥脂质含量，优化油脂提取及转酯化前提，提高生物柴油产量，降低成本是污泥制生物柴油的研究重点。MFC技能则需要经由过程对于电池构型、电极质料、膜质料、污泥预处置惩罚要领等举行优化来晋升输出电压及输出功率密度，并实现电能的不变输出，以满意现实运用需求。别的，二者都存于污泥后续措置问题。水泥窑协同点火污泥成长潜力伟大，但对于烟气污染物的排放及节制研究仍需增强。