城市污泥中脂質(zhì)的資源化研究進展

廖成朋 趙汝汝 熊田雨 李珊

摘? 要：污泥是城市污水處理廠污水處理后的最終產(chǎn)物，其中脂質(zhì)是污泥中有機含量第二的有機物，回收利用污泥中的脂質(zhì)用作生物柴油、潤滑油、化學(xué)品是污泥資源化處理的新方向。脂質(zhì)資源化利用的提取方法包括傳統(tǒng)熱解催化、微波催化、生物發(fā)酵。用作生物柴油原料是脂質(zhì)目前最有前景的應(yīng)用方式。該文對污泥中脂質(zhì)的提取方法進行綜述，并展望了其發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：污泥? 脂質(zhì)? 生物柴油

中圖分類號：X703 ? ?文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）01（a）-0047-04

Abstract： Sludge is the final product of sewage treatment in urban sewage treatment plants. The lipid is the second organic content in the sludge. The lipid in the recovered sludge is used as biodiesel， lubricating oil and chemicals. The new direction of processing. The extraction of lipid utilization includes traditional pyrolysis catalysis， microwave catalysis， and biological fermentation. Used as a biodiesel feedstock is currently the most promising application of lipids. This paper reviews the methods of extracting lipids from sludge and looks forward to its development direction.

Key Words： Sludge; Lipid; Biodiesel

污泥是指用物理法、化學(xué)法、物理化學(xué)法和生物法等處理廢水時產(chǎn)生的沉淀物、顆粒物和漂浮物。它是污水處理后的固廢產(chǎn)物，是由有機物、細菌菌體、重金屬、植物營養(yǎng)元素等組成的極其復(fù)雜的非均質(zhì)體[1-2]。其含水率高，有機物含量高，容易腐化發(fā)臭，并且顆粒較細，比重較小，呈半固態(tài)。在城市污水處理廠運營中的資源化利用已成為研究的焦點[3-6]。

回收污泥中的脂質(zhì)用作生物柴油、潤滑油等，是最具應(yīng)用前景的途徑[7]。污泥中油脂含量豐富，最高可達干污泥的37.40%[8]。在脂質(zhì)提取過程中還能實現(xiàn)污泥的減量化，并使得污泥達到穩(wěn)定指標(biāo)，減少后續(xù)處理難度[9]。

污泥中脂質(zhì)資源化利最重要步驟是脂質(zhì)提取。目前常用的方法有傳統(tǒng)催化熱解法、微波熱解法和生物熱解法，下文將分別對不同方法進行詳細的討論。

1? 污泥傳統(tǒng)催化熱解制備生物柴油

催化劑在污泥的熱解過程中，不僅能夠縮短熱解時間，降低所需溫度，提高熱解能力，還能減少污泥剩余固體量，提高脂質(zhì)產(chǎn)出率[10-12]。

黃華軍[18]等在亞/超臨界狀態(tài)下以丙酮代替水作為溶劑，考察了催化劑的用量對污泥液化效果影響，在丙酮用量為200mL，熱解溫度為320℃，反應(yīng)壓力為6.0MPa時，添加5%（占污泥原料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)）劑量的NaOH作為催化劑，比沒添加催化劑時，污泥中產(chǎn)油率從53.08%提高到了69.95%。馬智明[19]在亞/超臨界狀態(tài)下，用正交實驗證明了Na2CO3比FeSO4催化效果更好，在熱解溫度為400℃，熱解時間90min，添加5%Na2CO3作催化劑時，污泥中油產(chǎn)量為7.70g。同時研究還證明了甲醇-水混合溶劑比正己烷-水混合溶劑提取效率高，在熱解溫度為340℃，熱解時間為40min時，產(chǎn)油率提高到了46.5wt%。隨著對溶劑和催化劑的不斷研究，趙文建[20]等用4種溶劑（水、乙醇、正己烷、水-乙醇共溶濟）作為污泥熱解液化溶劑，進行產(chǎn)油率比較分析。結(jié)果表明水-乙醇共溶濟在熱解溫度300℃時，產(chǎn)油率高達44.63%，并且在污泥減量化、資源化方面效果明顯，污泥中有機物轉(zhuǎn)化率最高為96.4%。添加乙醇還可以提高生物質(zhì)汽油組分含量。胡海杰[21]利用Ti/SO42--CK（10）做催化劑，對污泥熱解進行研究，在熱解溫度為熱解溫度為430℃、熱解時間為3.5h、催化劑Ti/SO42--CK（10）添加量為1.5%、升溫速率為10℃/min、氮氣流量為100mL/min時，含油污泥的熱解油回收率可達84.09%。此外，新型催化劑的使用，還有利于污泥中重金屬和含氮、磷有機物的遷移轉(zhuǎn)化[22-24]。

2? 污泥微波熱解制備生物柴油

傳統(tǒng)熱源熱解污泥產(chǎn)生液態(tài)產(chǎn)物，熱值可達到35.59MJ/kg，產(chǎn)生的氣態(tài)產(chǎn)物，熱值可達到15530kJ/m3[26];微波熱源熱解污泥產(chǎn)生的液、氣產(chǎn)物熱值分別達到37MJ/kg、9420kJ/kg，而且液態(tài)產(chǎn)物中的PAHs低于5.37%，氣態(tài)產(chǎn)物中CO及H2高達54%以上[27]。與傳統(tǒng)熱源熱解相比，產(chǎn)物熱值相對較高，而且在使用微波吸收劑的情況下，能大大節(jié)約能源和熱解時間[28-29]。

微波熱解效果受微波吸收劑的影響[30]，方琳[31]等利用碳化硅、活性炭、污泥微波高溫?zé)峤夤腆w殘留物（炭化污泥）4種微波吸收劑做對比實驗，前3種在600℃時比炭化污泥的熱解效果更好，能使氣態(tài)產(chǎn)物中CO及H2含量大大增加。陳浩[29]等用鎳基催化劑與微波熱解技術(shù)對污泥進行熱解實驗，結(jié)果表明H2產(chǎn)量提升了23.4%，CO產(chǎn)量提升了26.6%。鄧義文[33]等考察了CaO、ZnCl2在微波熱解污泥中對氣態(tài)產(chǎn)物的影響，研究結(jié)果表明，ZnCl2在促進熱解氣中H2的體積分?jǐn)?shù)優(yōu)于CaO，在800℃～900℃條件下，ZnCl2與干基污泥質(zhì)量比為1∶2時，H2的體積分?jǐn)?shù)從原有的34%提升到了49.2%。此外，微波熱解還有利于重金屬的遷移轉(zhuǎn)化[34]，減少環(huán)境污染。

3? 污泥生物發(fā)酵制備生物柴油

污泥中富含多種產(chǎn)油微生物，如聚磷菌、聚糖菌能在體內(nèi)合成聚羥基脂肪酸酯顆粒等[35]，放線菌、酵母菌和霉菌等可以合成三酰甘油酯等[36]。通過對微生物發(fā)酵培養(yǎng)，進行油脂提取，按《動植物油脂脂肪酸甲酯制備》（GB/T 17376-2008）進行萃取制得生物柴油。

由于污泥中微生物是在低碳高氮條件下產(chǎn)生，使得產(chǎn)油量極低，導(dǎo)致了改技術(shù)的局限性[37]。近年來，不少學(xué)者通過在發(fā)酵環(huán)節(jié)中引入碳源、控制碳氮比、pH、提取方法等條件，實現(xiàn)了污泥生物發(fā)酵油脂的富集。Mondala[38]等通過60g/L-1葡萄糖做碳源和增加碳氮比（70∶1），使脂質(zhì)和生物柴油的最大產(chǎn)量分別為17.5±3.9和（10.2±2.0）%。王怡[39]等不同碳氮比下利用微生物對污泥進行發(fā)酵研究，結(jié)果表明，在碳氮比為210條件下培養(yǎng)5d，生物污泥制取的生物柴油產(chǎn)率最大為6.59%，且最利于脫水預(yù)處理。李植峰[40]等對真菌油脂提取的方法進行了對比研究，結(jié)果表明有機溶劑浸取法適用于工業(yè)化生產(chǎn)中，經(jīng)處理后的破碎菌體;高產(chǎn)菌株的復(fù)篩及培養(yǎng)條件優(yōu)化時，宜選索氏提取法;SCF-CO2法適用于菌株的帥選，但是對儀器設(shè)備要求較;酸熱法操作簡便、快速，樣品不需任何處理，極適合菌株篩選。

該方法利用污泥中微生物作為菌源，可以資源化利用污泥，同時減少滅菌環(huán)節(jié)，降低了發(fā)酵成本。另一方面，可以實現(xiàn)相關(guān)工業(yè)廢棄物、殘余農(nóng)業(yè)纖維素等高濃度有機廢水作為培養(yǎng)碳源，降低廢水處理成本。如造紙廢水[41]、甘蔗渣水解液[42]、含糖污泥[43]。然而，如何通過優(yōu)化培養(yǎng)條件進一步降低生產(chǎn)成本并提高污泥中可皂化脂質(zhì)含量，是促進該方法推廣應(yīng)用的重要研究方向。

4? 結(jié)語

該文總結(jié)了目前污泥脂質(zhì)資源化利用的研究進展，從傳統(tǒng)催化熱解、微波熱解、生物發(fā)酵制備生物柴油的3種方法進行綜述，發(fā)現(xiàn)各種方法都有較全面的研究。其中，微波熱解方法比傳統(tǒng)的催化熱解效率更高，資源利用率高，更節(jié)能;生物發(fā)酵由于節(jié)能環(huán)保，比其他兩種方法更具備研究和推廣潛力。

污泥中脂質(zhì)含量高，用途廣泛，除制備生物燃料外，其他應(yīng)用案列較少。并且3種方法中生物柴油的制備用的都是有毒有機溶劑，不利于環(huán)境保護。今后研究可以從下幾點入手。

（1）研究新型高效低毒和無毒的溶劑作為脂質(zhì)的吸收和萃取溶劑，使其整個提取過程能回收利用。

（2）在傳統(tǒng)熱解催化基礎(chǔ)上，將溶劑和催化劑相結(jié)合進行研究，優(yōu)化條件參數(shù)，提高污泥產(chǎn)油率，實現(xiàn)資源利用最大化。

（3）將研究催化劑效果與去除污泥中有機物、重金屬相結(jié)合，在提取的過程一并進行，減少后續(xù)處理環(huán)節(jié)，節(jié)約能源。

（4）研究新型的發(fā)酵菌，使其具有制取生物柴油兼去除污泥中有害物質(zhì)的功能，使處理后的污泥達到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

（5）開發(fā)熱解過程中脂質(zhì)副產(chǎn)物的其他應(yīng)用，如制備潤滑油、化學(xué)品等。

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