城市污水處理廠污泥中能源物質(zhì)利用的研究進展

李萍萍(東營職業(yè)學(xué)院，山東 東營 257091)

0 引言

城市人口最近幾年正在快速增長，而且城市化進程速度也在逐漸加快，進而也在一定程度上增加了城市污水廠負荷和城市生活污水的排放量[1]。我國在對污水進行處理時，常用的方法為活性污泥法，該方法會產(chǎn)生很多污泥，相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示在2020年，我國的污泥年產(chǎn)量預(yù)計會超過6000萬噸。市政污泥處理的傳統(tǒng)方法為土地利用、焚燒、衛(wèi)生填埋等。國家有關(guān)污泥處置、農(nóng)業(yè)、食品安全規(guī)范中對生物固體在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)、環(huán)境保護標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴格，進而也在一定程度上限制了傳統(tǒng)的污泥處理處置方式，所以污泥資源環(huán)境問題也越來越嚴重[2]。污泥中具有較高的有機物含量，能產(chǎn)生各種能源物質(zhì)，如生物燃料、沼氣等，所以回收利用污泥中的能源物質(zhì)也開始受到人們的重視。本研究主要分析了城市污水處理廠污泥中能源物質(zhì)利用的研究進展，具體情況如下。

1 城市污水處理廠的污泥處理現(xiàn)狀分析

污泥、污水兩者一般都是共同存在的，在處理污水時往往會產(chǎn)生污泥，而污水中所存在的這些污泥，占比雖然較低，但是卻需要引起重視，對污水處理廠的污泥進行合理合理和科學(xué)地處理。

1.1 污泥的處理現(xiàn)狀

相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，在我國社會經(jīng)濟快速發(fā)展和進步的過程中，我國的污水排放量也表現(xiàn)出逐年增加的趨勢[3]。尤其是在工業(yè)發(fā)達的城市中，污泥量問題更加顯著。加入全部處理掉我國的污泥，會得到超千萬噸，在全部的固體廢棄物中，污泥的占比非常高。所以在對污泥問題進行處理，應(yīng)保證整體的規(guī)劃性和科學(xué)性。然而現(xiàn)階段，我國在對污泥進行處理時，還缺乏健全的法律法規(guī)，現(xiàn)階段的污泥處理法規(guī)主要為《城市污水處理廠污水污泥排放標(biāo)準(zhǔn)》、《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》、《農(nóng)用污泥中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》等。并未詳細解釋病原體、有機污染物等，重金屬也缺乏法定的衡量標(biāo)準(zhǔn)[4]。所以在對污泥進行處理無法可依，進而重新破壞和污染環(huán)境。

1.2 污泥的處理方法

在科技水平等因素的限制下，現(xiàn)階段我國在對污泥進行處理時，穩(wěn)定、常用的處理工藝包括加堿穩(wěn)定、加熱干化、熱處理、好氧消化、厭氧消化等[5]。處理污泥的最終目的是通過科學(xué)的處理工藝，將原來不穩(wěn)定、容易腐敗的污泥變得穩(wěn)定、不容易被腐敗，對污泥病原體進行有效滅除，讓污泥的腐敗臭味消除，進而來充分利用?，F(xiàn)階段人們在對污泥進行處理時，常用的處理辦法為土地利用、焚燒、衛(wèi)生填埋等。(1)土地利用：現(xiàn)階段國內(nèi)在對污泥進行處理，污泥農(nóng)用的處理方式已處在邊緣化。污泥農(nóng)用雖然是通過自身能力來處理污泥，而且污泥中的部分微生物菌體和有機物能促進農(nóng)作物生產(chǎn)，屬于比較理想的一種土壤改良劑。但是污泥中也存在有害元素，會在一定程度上危害農(nóng)作物的生長；(2)焚燒：我國在對污泥進行處理時，焚燒的位置占比較少。通過焚燒處理雖然能有效釋放污泥中的有機物，將有害物質(zhì)消除和殺死；具有減少量、可回收、時間快等特點，能最大量的無害化、徹底[6]。但是在對污泥進行焚燒處理時，產(chǎn)生的部分氣體可能會對空氣造成污染，進而對空氣質(zhì)量造成影響。要想對污泥進行一次性處理，則需要很高的經(jīng)濟成本，但是取得的效益卻較低；(3)衛(wèi)生填埋：過往人們在對污泥進行處理時，最常用的一種處理辦法就是通過垃圾填埋場對污泥進行處理，這種處理辦法對技術(shù)的要求較低，而且操作比較簡單方便。但是在時間逐漸推移的過程中，污泥量和垃圾在不斷增加，污泥中的部分微量元素和有機物會在一定程度上影響地下水，導(dǎo)致比較嚴重的后果。除此之外，占用的垃圾場較多，因此垃圾場不愿進行污泥處理。

1.3 污泥處理的問題

城市污水處理廠應(yīng)正確認識污泥的處理問題：(1)污泥的處理處置技術(shù)，還無法對污泥進行高效得到物質(zhì)回用和能量回收；(2)污泥問題現(xiàn)階段還缺乏系統(tǒng)性支撐，如技術(shù)政策、標(biāo)準(zhǔn)體系、市場機制、管理體制；(3)在對污泥進行處理處置時，缺乏明確的責(zé)任主體。

2 回收利用污泥中的能源組分

2.1 污泥消化產(chǎn)生沼氣

現(xiàn)階段污泥厭氧消化技術(shù)已得到了非常廣泛的應(yīng)用，但是常規(guī)厭氧消化工藝的問題卻比較突出，如沼氣產(chǎn)氣率不高、停留時間長、污泥降解率不高等，而且處理的污泥含固率一般為3%～5%，處于較低水平，需要大體積的設(shè)備，進而讓資金投入增加。根據(jù)上述問題，有學(xué)者通過對污泥厭氧消化性能進行改善讓沼氣產(chǎn)氣率提高，并開始深入分析和研究高含固率的污泥厭氧消化技術(shù)。有學(xué)者以2:1的比例將豬糞與脫水的污泥進行混合厭氧消化，進而明顯提高了甲烷產(chǎn)率。另外也有臨床研究結(jié)果顯示，混合處理廚余垃圾和污泥，能對厭氧消化性能進行一定改善，讓沼氣產(chǎn)氣率明顯提升。污泥中的微生物細胞壁水解過程為厭氧消化限速階段，預(yù)處理能對污泥中的微生物細胞結(jié)構(gòu)進行破壞，讓厭氧消化速率明顯提高。相關(guān)臨床研究結(jié)果顯示，超聲處理能明顯提升污泥消化的產(chǎn)氣量。除此之外，對污泥進行預(yù)處理聯(lián)合熱水解超聲處理，能顯著提升厭氧消化產(chǎn)氣性能。

高含固率污泥厭氧消化工藝是現(xiàn)階段的研究熱點，其優(yōu)勢主要表現(xiàn)為投資低、設(shè)備體積小、處理負荷高、產(chǎn)氣效率高等。有學(xué)者通過對熱水解-高溫厭氧消化工藝處理高含固率剩余污泥的效果進行分析可知，在甲烷產(chǎn)率、有機物去除率方面，該工藝與傳統(tǒng)污泥厭氧消化工藝類似。通過對高含固率污泥厭氧消化工藝的各項參數(shù)、條件進行優(yōu)化，或者對污泥進行熱堿預(yù)處理等，均能取得比較理想的消化效果和產(chǎn)氣量。現(xiàn)階段我國還需要在工程運行和設(shè)計方面深入研究高固污泥消化，實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。

2.2 污泥產(chǎn)生生物燃料

(1)污泥產(chǎn)生氫氣：現(xiàn)階段污泥制氫的常用方法包括熱化學(xué)法、生物發(fā)酵法。污泥熱化學(xué)法制氫具體包括氣化、熱解等。研究結(jié)果顯示，污泥溫度越高、含濕量越大，則越有利于產(chǎn)生氫氣。超臨界水的融合力和氧化力較強，在污泥氣化產(chǎn)氫研究中得到了廣泛應(yīng)用。超臨界水氣化不但能讓轉(zhuǎn)化率明顯提高，而且不需要干燥處理具有較高含水率的底物。相關(guān)臨床研究結(jié)果顯示，超臨界水能直接氣化含水率為76.2%～94.4%的污泥。對比分析厭氧消化法和超臨界水氣化處理初沉污泥的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，運行期間超臨界水氣化所需的輸入能量更大。正常情況下，在污泥固體濃度超過15%時，開展超臨界水氣化制氫的工業(yè)應(yīng)用才具有意義。超臨界水氣化制氫作為污泥能源化技術(shù)，其發(fā)展前景雖然比較理想，但是現(xiàn)在還應(yīng)加強試驗研究，對高效催化劑進行研制，對反應(yīng)條件進行優(yōu)化，讓產(chǎn)氫效率明顯提高，并讓運行能耗降低。在研究生物發(fā)酵制氫技術(shù)時，主要集中在有機廢棄物與污泥混合發(fā)酵制氫、發(fā)酵影響因素的分析、各種預(yù)處理方法。對污泥預(yù)處理，不但能對產(chǎn)氫菌進行篩選，而且還對污泥細胞進行破壞，讓有機物可利用性明顯提高，讓產(chǎn)氫量明顯增加。利用污泥與城市有機固體廢棄物共同發(fā)酵也能讓氫產(chǎn)量明顯提高。現(xiàn)階段的研究主要是基于間歇培養(yǎng)試驗，連續(xù)產(chǎn)氫則是污泥生物發(fā)酵制氫實現(xiàn)工業(yè)化的前提。讓污泥的產(chǎn)氫穩(wěn)定性和連續(xù)產(chǎn)氫能力提高則是今后研究的重點。

(2)污泥產(chǎn)生合成氣：CO和H2的混合氣體被稱之為合成氣。合成氣不但能產(chǎn)熱發(fā)電，而且還能合成各種化工產(chǎn)品，如成烴、醇、醚類。熱裂解技術(shù)為合成氣的傳統(tǒng)制備方法，但是該方法具有合成氣比例低、熱效率不高等缺點，所以可以選擇微波加熱法讓熱解效率明顯提高。微波能與原子或者分子直接作用，傳遞能量，能讓傳熱阻力明顯降低，其優(yōu)點主要為節(jié)省能源、耗時少、熱解效率高、穿投訴率快等。

(3)污泥產(chǎn)生生物柴油：動物脂肪、植物油為產(chǎn)生生物柴油的主要原料，植物油交個比較昂貴，在生物柴油的生產(chǎn)成本中，原料成本的占比大約為70%～85%，污泥的來源廣泛，數(shù)量較多，同時存在的油脂較多，可以將其作為生物柴油的制備原料。在采用污泥進行生物柴油制備時，常用的方法主要為一步法、兩步法；前者是利用污泥直接轉(zhuǎn)酯化，后者則是選擇溶劑對污泥的油脂進行提取，然后轉(zhuǎn)酯化。相關(guān)臨床研究結(jié)果顯示，和兩步法相比較，一部分的生物柴油產(chǎn)率更高。和兩步法相比，浮渣污泥、二沉污泥、初沉污泥經(jīng)原位脂基轉(zhuǎn)移法獲得的生物柴油產(chǎn)率更高。因為污泥微生物細胞中的脂質(zhì)量較大，采用提取劑無法將其有效提取出來，所以需要破壁處理污泥細胞。破壁方法主要為凍融法、菌株自溶法、酶處理法、超聲破碎法、微波破碎法、化學(xué)破碎法、高壓均漿破碎法等。

2.3 污泥產(chǎn)電

相關(guān)臨床研究結(jié)果顯示，直接通過污泥進行微生物燃料電池產(chǎn)電得到的輸出功率密度為3～30W/m3或40～250mW/m2、電壓為400～700mV。溶解性化學(xué)需氧量、陰極材料、陰陽間距、電池陽極面積、pH值、離子添加劑投加量和種類等均會對微生物燃料電池的產(chǎn)電性能產(chǎn)生影響，深入探究這些因素，能讓微生物燃料電池的輸出功率密度和產(chǎn)電電壓明顯提高。污泥中的大部分有機物為細胞物質(zhì)，細胞壁會對產(chǎn)電微生物對細胞內(nèi)部的有機物利用造成一定影響，進而對微生物燃料電池的產(chǎn)電效率造成限制，所以對污泥預(yù)處理，對細胞壁進行破壞，能讓溶解性的有機質(zhì)濃度明顯提高?，F(xiàn)階段的預(yù)處理方法包括堿處理、加熱處理、表面活性劑處理、超聲波處理以及微波處理等。

3 結(jié)語

對于城市污水處理廠來講，處理處置污泥成為了現(xiàn)階段的一個主要問題，能源化利用污泥現(xiàn)階段也已取得了一定成果；但是還需要針對現(xiàn)階段不成熟、不完善的工藝技術(shù)，進行深入分析和研究，以進一步提高污泥的回收利用效率。