水熱耦合厭氧消化技術(shù)處理餐廚垃圾沼渣沼液及工藝能耗分析

邵明帥，張超，吳華南，王寧，陳欽冬，徐期勇

（北京大學(xué)深圳研究生院環(huán)境與能源學(xué)院，廣東 深圳 518055）

根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，我國城市生活垃圾的清運(yùn)量從2003 年的1.49 億噸增長到2017 年的2.15 億噸，其中餐廚垃圾的含量超過50%。在餐廚垃圾的諸多處理措施中，厭氧消化（anaerobic digestion，AD）作為一種經(jīng)濟(jì)有效的可再生能源生產(chǎn)技術(shù)已被廣泛使用。截至2017 年，全國50t/d規(guī)模以上餐廚垃圾處理項(xiàng)目至少有118 座，其中76.1%采用厭氧消化技術(shù)。餐廚垃圾進(jìn)行厭氧消化處理可以產(chǎn)生沼氣用于發(fā)電或產(chǎn)熱，但同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生大量沼渣沼液。據(jù)調(diào)查，每處理100t 餐廚垃圾，就會(huì)產(chǎn)生約110t 的沼渣沼液。如此巨量的沼渣沼液如何處理，已經(jīng)成為制約餐廚垃圾AD技術(shù)發(fā)展的瓶頸。

餐廚垃圾沼渣沼液（digestate of food waste，DFW）是餐廚垃圾在AD過程中產(chǎn)生的高含水率的黑色或灰色有機(jī)副產(chǎn)物，由于體積大、含水率高，導(dǎo)致其儲(chǔ)存、運(yùn)輸和后續(xù)處理成本高。為了有效地處理DFW，通常先采用機(jī)械方法將其固、液兩相分離，然后分別處理。然而，由于大量胞外聚合物、結(jié)合水和表面電荷的存在，DFW 形成一個(gè)較為穩(wěn)定的膠體系統(tǒng)，很難直接經(jīng)過機(jī)械方法實(shí)現(xiàn)有效的固、液分離?，F(xiàn)有的機(jī)械脫水技術(shù)主要有離心分離機(jī)脫水、螺旋壓榨機(jī)脫水和帶式壓榨機(jī)脫水。由于機(jī)械脫水方式的能力有限，若直接用機(jī)械方法對DFW 進(jìn)行脫水，其脫水程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足垃圾填埋場對沼渣含水率（<60%）的要求。經(jīng)機(jī)械脫水后的泥餅，一般還需要通過熱干化處理，以達(dá)到后續(xù)處理過程對其含水率的要求。在熱干化過程中，需要大量的能量輸入，其中大部分能量被用于水分的蒸發(fā)。另外，DFW 中可能含有、、等病菌，一般機(jī)械脫水不會(huì)對DFW 進(jìn)行殺菌滅毒處理，后續(xù)DFW 固、液兩相產(chǎn)物的處理處置可能存在病原體污染風(fēng)險(xiǎn)。DFW 作為一種高含水率的生物質(zhì)廢棄物，不僅包含發(fā)酵過程中形成的微生物菌團(tuán)，還包含大量未完全分解的纖維素、木質(zhì)素等有機(jī)物，若不加以利用，將會(huì)造成巨大的能源浪費(fèi)。然而，DFW以何種方式進(jìn)行資源化利用尚有待深入研究。

目前，水熱處理（hydrothermal treatment，HTT）技術(shù)在濕生物質(zhì)脫水預(yù)處理方面具有眾多優(yōu)勢，在污泥脫水處理方面已得到廣泛研究。關(guān)于HTT與AD 耦合技術(shù)處理DFW 的工藝也日漸興起。Li 等利用HTT 與AD 耦合工藝，實(shí)現(xiàn)了DFW 固、液的高效分離，并利用固、液兩相產(chǎn)物分別生產(chǎn)生物炭和沼氣。Zhang等分析了HTT對DFW固、液兩相產(chǎn)物特性的影響，并分析了DFW 液相產(chǎn)物的產(chǎn)甲烷潛勢。HTT與AD耦合工藝不僅能提高DFW的脫水性能，實(shí)現(xiàn)固體廢棄物的減量化，減少后續(xù)熱干化的能耗，還可以將有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為碳材料或燃料，提高液液相產(chǎn)物的產(chǎn)甲烷潛力，實(shí)現(xiàn)最大限度的資源化利用。然而，也有一些研究表明，沼渣沼液經(jīng)水熱處理后的固相產(chǎn)物灰分含量增加，碳含量下降，不適合作為資源化利用的原料。水熱處理后大量有機(jī)碳轉(zhuǎn)移到液相或氣相產(chǎn)物中，固相產(chǎn)物中灰分含量相對增加，并且隨著水熱溫度的增加，有機(jī)物被分解的越多，固相產(chǎn)物中灰分含量就越高，不利于后續(xù)資源化利用。此外，與藻類和木質(zhì)纖維素生物質(zhì)等沼渣相比，DFW 的灰分含量更高，有機(jī)質(zhì)含量更低。因此，DFW 水熱處理后固相、液相產(chǎn)物的特性及后續(xù)資源化利用是否可行，工藝能耗是否可行，仍有待深入研究。

在本研究中，評估了不同溫度條件的HTT 對DFW 固、液分離效果的影響，探討了固相、液相產(chǎn)物的特性和資源化利用的可行性，系統(tǒng)分析了HTT與AD耦合工藝的物質(zhì)流動(dòng)和能量輸入/輸出平衡，討論了該工藝在能量方面的可行性。此外，還分析了影響工藝能耗的關(guān)鍵因素，為后續(xù)工藝優(yōu)化提供理論支撐。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及HTT處理過程

實(shí)驗(yàn)中所使用的DFW 采自深圳市利賽環(huán)保有限公司，該公司采用兩相餐廚垃圾處理工藝，餐廚垃圾每天的處理量為300t，已連續(xù)運(yùn)行5年。DFW樣品的含水率為97.5%。為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，采取的DFW樣品在4℃環(huán)境下保存，每組水熱處理實(shí)驗(yàn)均在取樣后7 天內(nèi)完成。在每次實(shí)驗(yàn)前，將樣品恢復(fù)到環(huán)境溫度，并通過振蕩進(jìn)行均質(zhì)。

HTT 實(shí)驗(yàn)在250mL 哈氏合金反應(yīng)釜中進(jìn)行（YZPR-250M，中國），在反應(yīng)釜中加入180mL DFW，然后進(jìn)行氮?dú)獯祾?0min，以去除殘留空氣。HTT 實(shí)驗(yàn)在80～200℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，溫度間隔為20℃。反應(yīng)結(jié)束后，利用循環(huán)水將反應(yīng)釜快速冷卻至室溫。反應(yīng)釜冷卻后，氣體被排出。所有樣品均保存在4℃冰箱中，待后續(xù)分析，并根據(jù)HTT條件命名為“H時(shí)間-溫度”。例如，“H60-180”表示在180℃水熱溫度下保溫60min得到的產(chǎn)物。

1.2 測試項(xiàng)目及方法

1.2.1 DFW特性

原始DFW和經(jīng)HTT處理后的DFW在4000r/min下離心30min，分別得到固相產(chǎn)物和液相產(chǎn)物。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)分析方法對固相產(chǎn)物進(jìn)行表征，以確定總固體（total solid，TS）、灰分和揮發(fā)性物質(zhì)(volatile matter, VM)。毛細(xì)吸水時(shí)間(capillary suction time，CST)使用CST測量儀（304B，Triton，英國）測得。沼渣的高位熱值(higher heating value，HHV)使用氧彈分析儀(IKA C3000，德國)測量?？偦瘜W(xué)需氧量（chemical oxygen demand，COD）通過百靈達(dá)試劑盒進(jìn)行測量（COD 2000/M，Palintest，英國）。DFW的產(chǎn)甲烷潛勢使用250mL 血清瓶進(jìn)行測定，液相產(chǎn)物與接種污泥的比例根據(jù)液相產(chǎn)物0.5g-COD/接種污泥1g-VSS 的比例確定。定期測量氣體產(chǎn)量，并通過氣相色譜儀(7890B，Agilent，美國)測量甲烷濃度，至35d 產(chǎn)氣量極低不再記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)束實(shí)驗(yàn)，并計(jì)算甲烷累計(jì)產(chǎn)量。

1.2.2 能量衡算計(jì)算

本研究根據(jù)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)，基于1t DFW 經(jīng)HTT與AD耦合工藝處理過程進(jìn)行能量衡算。為了簡化計(jì)算，作了以下假設(shè)：①在HTT 過程中，85%的加熱能耗可以通過熱交換的形式回收；②環(huán)境溫度為25℃；③水熱反應(yīng)釜和厭氧發(fā)酵罐的熱換算系數(shù)是1W/(m·℃)；④厭氧消化罐體積為1000m，高徑比為1∶2，據(jù)此計(jì)算出厭氧消化罐的表面積為439m。具體的計(jì)算公式如下。

在HTT 過程中，將DFW 加熱至目標(biāo)溫度所需輸入的能量用表示。在HTT保溫階段所需的能量與加熱過程中的能量相比，可以忽略不計(jì)。根據(jù)式(1)計(jì)算。

式中，為加熱能耗的回收效率，85%；和分別為1t DFW 中水和固體的含量，kg；為水的比熱容，4.186 kJ/(kg·℃)；為DFW 中固體的比熱容，0.971kJ/(kg·℃)；為水熱處理溫度，℃；為環(huán)境溫度，25℃。

在離心脫水過程中需要輸入的能量用表示，具體計(jì)算見式(2)。

式中，為被離心樣品的質(zhì)量，1000kg；為單位質(zhì)量樣品離心脫水用電量，0.04kW·h/kg；為DFW 中總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；3.6 為kW·h 和MJ的換算系數(shù)。

經(jīng)離心脫水處理后的泥餅在熱干化過程的能量消耗用表示，具體計(jì)算見式(3)。

式中，和與式(1)一致；和分別為泥餅中的水和固體含量，kg；為將泥餅干燥至60%含水率所需要脫除的水分質(zhì)量，kg；Δ為水的氣化潛熱，2257.2kJ/kg。

經(jīng)離心脫水處理后的液相產(chǎn)物進(jìn)行了二次厭氧發(fā)酵，在厭氧發(fā)酵過程中所需能量用表示，具體計(jì)算見式(4)。

式中，86.4是功率單位W轉(zhuǎn)換為能量單位kJ/d的轉(zhuǎn)換系數(shù)；是熱轉(zhuǎn)化效率，1W/(m·℃)；為厭氧發(fā)酵罐的表面積，m；是AD 天數(shù)，35d；和分別是AD溫度和環(huán)境溫度，35℃和25℃。

在AD 過程中，產(chǎn)甲烷產(chǎn)能用表示，具體計(jì)算見式(5)。

式中，是液相產(chǎn)物進(jìn)行二次AD的甲烷產(chǎn)量，m；是甲烷氣體的低位熱值，35.88MJ/mCH。

根據(jù)以上結(jié)果，將輸出能量減去輸入能量，可以計(jì)算出整個(gè)處理工藝的凈能量，具體計(jì)算見式(6)。

1.3 工藝路線設(shè)計(jì)

本研究的工藝路線如圖1所示，DFW首先經(jīng)過HTT處理，然后通過離心脫水進(jìn)行固、液分離。固相產(chǎn)物（泥餅）通過熱干化處理進(jìn)一步干燥，以滿足填埋場對含水率的要求。液相產(chǎn)物進(jìn)行AD，用于產(chǎn)甲烷產(chǎn)能，補(bǔ)償HTT、離心脫水、熱干化以及AD過程輸入的能量。

圖1 DFW的HTT與AD耦合工藝處理路線

2 結(jié)果與討論

2.1 DFW組成及特性分析

表1 給出了DFW 的物質(zhì)組成和基本特性。餐廚垃圾經(jīng)AD后，DFW中絕大部分為水，含水率高達(dá)97.5%。與此同時(shí)，DFW 的COD 含量高達(dá)7200mg/L，固相產(chǎn)物中C 含量達(dá)到了38.79%，這說明餐廚垃圾在厭氧消化過程中并沒有完全被降解，仍然有大量的有機(jī)質(zhì)殘留在DFW 中，DFW 具有可資源化利用的物質(zhì)基礎(chǔ)。對于這種高含水率的生物質(zhì)，一般需要將其固液分離，然后再進(jìn)行后續(xù)的資源化處理。然而，DFW 的CST 為1335.27s，高的CST值表明其具有較差的脫水性能。DFW較差的脫水性能可能與其顆粒表面電荷、EPS（胞外聚合物）含量、顆粒粒徑有關(guān)。經(jīng)4000r/min離心30min 后，DFW 的泥餅含水率為88.43%，仍然含有大量的水分。因此，DFW 在機(jī)械脫水前耦合預(yù)處理技術(shù)，提高其脫水性能及后續(xù)資源化利用潛力是必要的。

表1 DFW基本組成及特性

2.2 HTT對固相產(chǎn)物的影響

本研究通過分析離心脫水后的泥餅產(chǎn)量和含水率，評估了HTT對DFW脫水性能的影響。如圖2(a)所示，以1t 原始DFW 為基礎(chǔ)，經(jīng)離心脫水后，可以獲得71.83kg的泥餅，其水分含量為88.43%。經(jīng)80℃的HTT 處理后，DFW 離心后的泥餅產(chǎn)量和含水率分別下降至50.35kg和85.68%。這兩個(gè)值都隨著HTT溫度的升高而逐漸降低，并在200℃時(shí)達(dá)到22.11kg和76.30%。結(jié)果表明，HTT提高了DFW的脫水性能，降低了脫水后的泥餅含水率。同時(shí)，HTT 也減少了DFW 泥餅的產(chǎn)生，與未經(jīng)HTT 處理的DFW 相比，最高可以減少69.22%的泥餅產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)了固體廢棄物的減量化。

圖2 DFW離心后泥餅產(chǎn)量及其含水率和泥餅后續(xù)熱干化所需能量

泥餅產(chǎn)量和含水率的減少對降低廢水/固體處理的總運(yùn)行成本非常重要。根據(jù)我國生活垃圾填埋場控制標(biāo)準(zhǔn)（GB 16889—2008），沼渣經(jīng)脫水處理后含水率小于60%才可以進(jìn)入生活垃圾填埋場進(jìn)行填埋處置。一般經(jīng)機(jī)械脫水后，泥餅需要額外的干燥過程，以達(dá)到后續(xù)處理處置對含水率的要求。經(jīng)HTT 處理后，DFW 泥餅產(chǎn)量和含水率的減少可顯著降低后續(xù)存儲(chǔ)、運(yùn)輸和熱干化干燥的成本。圖2(b)展現(xiàn)了DFW經(jīng)不同溫度的HTT處理后，泥餅再經(jīng)熱干化過程將其干燥至填埋場要求所需的能量輸入?？梢钥闯?，未經(jīng)HTT 處理的DFW，離心脫水后的泥餅需要157.32MJ/t DFW 的能量輸入才能被干燥至60%含水率。經(jīng)HTT 處理后，這部分能量需求顯著下降。當(dāng)HTT 溫度為200℃時(shí)，這部分干燥所需的能量最小減小至39.08MJ/t DFW。因此，經(jīng)HTT 處理后，熱干化過程的能量輸入最高可以降低75.16%。

另外，為了探索補(bǔ)償整個(gè)工藝過程能耗的能量輸入點(diǎn)，本研究分析了DFW 經(jīng)HTT 處理前后的泥餅特性和泥餅經(jīng)熱干化后作為燃料產(chǎn)能的可行性。如表2 所示，DFW 泥餅的灰分和揮發(fā)分含量分別為26.3%和68.1%，這一結(jié)果與Opatokun 等的研究結(jié)果相似（灰分25.6%、揮發(fā)分61.8%）。DFW中高的揮發(fā)分含量表明，使用適當(dāng)?shù)奶幚矸椒ǎ鼈冇锌焖俦环纸獾臐摿?。?jīng)HTT 處理后，部分揮發(fā)分被分解，最終轉(zhuǎn)移到液相產(chǎn)物中，固相產(chǎn)物產(chǎn)率降低，灰分相對含量相對升高。這種變化趨勢隨HTT 溫度的升高越來越明顯，當(dāng)水熱溫度為200℃時(shí)，灰分含量高達(dá)54.2%。同時(shí)，經(jīng)HTT 處理后的DFW 泥餅碳含量有降低趨勢，導(dǎo)致其熱值降低，灰分相對含量升高。這種變化趨勢不利于泥餅作為燃料產(chǎn)能。另外，當(dāng)HTT 溫度超過160℃時(shí)，固相產(chǎn)物灰分含量超過45%，最高可達(dá)54.2%，高的灰分含量在燃燒過程中經(jīng)常會(huì)對焚燒爐造成嚴(yán)重的結(jié)垢和腐蝕，從而大大降低燃料效率。因此，經(jīng)HTT處理后的固相產(chǎn)物可能不適合作為固體燃料，在本研究中選擇用填埋的方式將其最終處置。

表2 餐廚垃圾沼渣及其水熱固相產(chǎn)物特性分析

2.3 HTT對液相產(chǎn)物的影響

離心分離后的DFW 液相產(chǎn)物仍含有大量的有機(jī)物，這為其資源化利用提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。本研究分析了HTT處理前后DFW液相產(chǎn)物的COD和產(chǎn)甲烷潛勢，如圖3(a)所示。經(jīng)HTT后，DFW液相產(chǎn)物的COD 含量顯著增加。當(dāng)HTT 溫度為80℃時(shí)，其值從最初的7200mg/L 上升至9200mg/L，并且隨著HTT 溫度的升高，COD 含量逐漸增加，在200℃達(dá)到最大值14300mg/L。COD含量的增加主要?dú)w因于DFW中有機(jī)物（多糖、木質(zhì)素、蛋白質(zhì)）的分解、釋放。結(jié)果表明，HTT 促進(jìn)了有機(jī)物向液相轉(zhuǎn)移。出于環(huán)境和經(jīng)濟(jì)方面的考慮，需要資源化利用這部分高有機(jī)質(zhì)含量的液相產(chǎn)物。因此，本研究測試了液相產(chǎn)物的產(chǎn)甲烷潛勢，以評價(jià)其進(jìn)行二次AD產(chǎn)甲烷產(chǎn)能的可行性。

如圖3(a)所示，在產(chǎn)甲烷潛力測試中，所有經(jīng)過HTT 處理的樣品均比原始DFW 獲得更高的甲烷產(chǎn)量，并且DFW 液相產(chǎn)物產(chǎn)甲烷潛勢隨HTT 溫度的升高而逐漸增加，并在140～180℃達(dá)到最大值（約245mL/g COD），是未經(jīng)HTT 處理（147.69mL/g COD）的1.66 倍。當(dāng)HTT 溫度低于180℃時(shí)，隨溫度升高，DFW 中越來越多的有機(jī)物被分解，由復(fù)雜有機(jī)物變成易于被微生物降解的簡單有機(jī)物，其液相產(chǎn)物甲烷產(chǎn)量較高。Garlapalli 等研究表明，水熱處理過程能顯著提高溶液中有機(jī)碳的含量，這些有機(jī)碳含量主要以乙酸和甲酸等簡單有機(jī)物的形式存在。將HTT 溫度進(jìn)一步升高至200℃時(shí)，液相產(chǎn)物的產(chǎn)甲烷潛勢降低至222.29mL/g COD。這可能是由于高溫水熱生成了抑制性物質(zhì)抑制了厭氧消化過程，從而導(dǎo)致產(chǎn)甲烷潛勢降低。在高溫高壓下水產(chǎn)生大量的自由基轟擊物質(zhì)表面，伴隨著糖苷鍵、酰胺鍵等化學(xué)鍵的斷裂，纖維素、半纖維素和少量蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)被破壞，逐漸開始水解，最終會(huì)產(chǎn)生糠醛類物質(zhì)。Garlapalli 等在HTT處理后的沼渣液相產(chǎn)物中檢測出大量糠醛和酚類物質(zhì)，且隨HTT 溫度的升高，這些抑制性物質(zhì)的含量顯著增加，這與本文液相產(chǎn)物產(chǎn)甲烷趨勢基本相符。另外，高溫HTT 液相產(chǎn)物中不可生物降解化合物的形成也可能導(dǎo)致甲烷產(chǎn)量下降。在高于180℃的溫度下，由美拉德反應(yīng)產(chǎn)生的含氮化合物，如吡啶和吡嗪，難以被生物降解。根據(jù)液體樣品的COD 含量，計(jì)算了1t DFW 液相產(chǎn)物的產(chǎn)甲烷總量。原始DFW 液相產(chǎn)物的甲烷產(chǎn)量為982L/t DFW，經(jīng)HTT 處理后的DFW 液相產(chǎn)物的甲烷產(chǎn)量顯著增加。當(dāng)HTT 溫度從80℃升至160℃時(shí)甲烷產(chǎn)量從1778L/t DFW 升高至3161L/t DFW，當(dāng)HTT 溫度升高至180℃和200℃時(shí)，甲烷產(chǎn)量略有降低趨勢。當(dāng)HTT溫度為160℃時(shí)，DFW液相產(chǎn)物的甲烷產(chǎn)量最高，是未經(jīng)HTT處理的3.22倍。

圖3 DFW液相產(chǎn)物的COD含量和產(chǎn)甲烷潛力及液相產(chǎn)物產(chǎn)甲烷產(chǎn)能

值得注意的是，不同水熱溫度，生物抑制性物質(zhì)生成情況不同，確定回流比例考慮的主要因素也有差異。當(dāng)水熱溫度低于180℃時(shí)，主要考慮厭氧消化前餐廚垃圾所需要的稀釋倍數(shù)，根據(jù)呂凡等對廚余垃圾濕式厭氧消化（出水回流）工藝模式研究計(jì)算，約79.4%回流至厭氧罐，20.6%進(jìn)污水處理設(shè)施。當(dāng)水熱溫度高于180℃時(shí)，由于糠醛和酚類等生物抑制性物質(zhì)的生成，主要考慮液相產(chǎn)物中糠醛和酚類等生物抑制性物質(zhì)濃度，回流至厭氧罐的液相產(chǎn)物可能低于79.4%，進(jìn)污水處理設(shè)施的液相產(chǎn)物可能高于20.6%。

根據(jù)甲烷氣體產(chǎn)能計(jì)算公式，本研究計(jì)算了1t DFW經(jīng)過HTT與AD耦合工藝后，液相產(chǎn)物的產(chǎn)甲烷產(chǎn)能情況，如圖3(b)所示。未經(jīng)HTT 處理的DFW 液相產(chǎn)物直接AD，其產(chǎn)甲烷產(chǎn)能僅為35.14MJ/t DFW。經(jīng)過HTT 處理后，液相產(chǎn)物產(chǎn)甲烷產(chǎn)能提高了81%～221%。結(jié)果表明，富含有機(jī)物的HTT液相產(chǎn)物可以作為AD底物產(chǎn)甲烷，額外產(chǎn)生的甲烷可以補(bǔ)償HTT與AD耦合工藝的大部分能量消耗。

2.4 物質(zhì)流動(dòng)與能量平衡

為了更清楚地了解DFW 在HTT 與AD 耦合處理工藝過程中的物質(zhì)和能量變化，本研究基于1t DFW 在160℃、60min 條件下的HTT 過程，計(jì)算了其產(chǎn)物經(jīng)離心脫水、泥餅熱干化和二次AD等工藝過程的物質(zhì)流和能量流液相產(chǎn)物，結(jié)果如圖4所示。1t的原始DFW中包含25kg干固體和975kg水，加熱到160℃進(jìn)行60min HTT 需要耗能556MJ。根據(jù)Lu 等的研究，HTT 過程中的加熱能耗可以通過熱交換的方式回收85%。若實(shí)現(xiàn)85%的熱能回收，則本研究中HTT 過程的能量需求將降至83.4MJ。HTT處理后的產(chǎn)物經(jīng)離心脫水處理，可收集到31.9kg 泥餅（水分含量為80.3%）和968.1kg液相產(chǎn)物[其溶解性COD（SCOD）為12000mg/L]。對于固相產(chǎn)物，根據(jù)填埋場入場要求，需要投入45.6MJ 的能量用于泥餅的熱干化。液相產(chǎn)物在35℃條件下，經(jīng)二次AD 共產(chǎn)生3161L 甲烷，可轉(zhuǎn)化為113.2MJ 能量，可以補(bǔ)償HTT、離心脫水和熱干化過程的能量消耗。

圖4 DFW在HTT-AD工藝過程中的物質(zhì)和能量流動(dòng)原理

為了評估整個(gè)工藝過程在能量輸入/輸出方面的可行性，本研究根據(jù)小試實(shí)驗(yàn)分析物質(zhì)流動(dòng)過程，結(jié)合前人相關(guān)研究的計(jì)算方法和公式，從理論上計(jì)算了基于1t DFW經(jīng)HTT與AD耦合工藝處理過程中HTT加熱能量輸入、離心脫水能量輸入、熱干化能量輸入、二次AD 能量輸入及二次AD 產(chǎn)甲烷產(chǎn)能，從而分析了整個(gè)過程的能量平衡。相關(guān)能量的計(jì)算方法見1.2節(jié)，計(jì)算相關(guān)的參數(shù)取值見表3，為了簡化計(jì)算，熱效率和能耗計(jì)算沒有考慮工程規(guī)模的浮動(dòng)誤差。如圖5 所示，在未經(jīng)HTT 的DFW處理過程中，大部分能量消耗在泥餅的熱干化過程。在HTT耦合AD處理DFW過程中，HTT過程和熱干化過程所需的能耗是在整個(gè)處理過程主要的能量投入點(diǎn)，DFW 液相產(chǎn)物的產(chǎn)甲烷產(chǎn)能是主要的能量產(chǎn)出點(diǎn)。另外，由于所有樣品都在相同條件下進(jìn)行離心脫水和二次AD處理，因此在這兩個(gè)過程中所有樣品的能量消耗量基本相同。

表3 能量衡算中相關(guān)參數(shù)取值及假設(shè)①

圖5 HTT和AD組合工藝過程的能量衡算

通常，DFW 的含水率很難直接通過常規(guī)的機(jī)械脫水方式達(dá)到填埋（60%）或其他資源化利用對含水率的要求，必須進(jìn)行額外的熱干化處理，以在最終處理之前進(jìn)一步從消化物中去除水分。對于未經(jīng)HTT 處理的原始DFW，熱干化過程需要很高的能量消耗，將1t DFW 干燥至60%含水率就需要137MJ 的能量。如2.1 節(jié)所述，HTT 可以降低離心脫水后的泥餅產(chǎn)量和含水率，這將顯著降低熱干化的能量消耗。在HTT與AD耦合工藝過程中，雖然HTT過程增加了加熱過程的能量成本，但是最終減少了整個(gè)DFW 處理過程的總能量成本。經(jīng)HTT 處理后，DFW 泥餅熱干化所需的能量最低可以減小至39.08MJ/t DFW。除了可以減小熱干化過程的能量輸入，HTT 還可以促進(jìn)有機(jī)物從固相轉(zhuǎn)移到液相，提高液相產(chǎn)物的可資源化利用潛力。如2.2 節(jié)所述，經(jīng)過HTT處理后，DFW液相產(chǎn)物的二次AD產(chǎn)甲烷產(chǎn)量都遠(yuǎn)高于未經(jīng)HTT 處理的樣品，甲烷產(chǎn)量的增加，相應(yīng)地增加了能量輸出。經(jīng)過160℃溫度的HTT 處理后，DFW 液相產(chǎn)物的產(chǎn)甲烷產(chǎn)能由未經(jīng)HTT 處理的35.14MJ/t DFW 增加到113.15MJ/t DFW，所產(chǎn)生的能量可以補(bǔ)償HTT 與AD 耦合工藝過程的能量投入。在較低的HTT 溫度下，DFW 泥餅的含水率較高，需要投入較高的熱干化能量，液相產(chǎn)物產(chǎn)甲烷產(chǎn)能較少。在較高水熱溫度下，HTT加熱過程中所需能量較高，并且可能會(huì)生成抑制性物質(zhì)，會(huì)降低液相產(chǎn)物產(chǎn)甲烷產(chǎn)能。綜合考慮DFW 處理過程中HTT 與AD 耦合工藝的能量輸入/輸出，選擇160℃的溫度作為DFW 最佳的HTT處理溫度。在最佳條件下，每處理1t DFW，凈能量投入最少，最少為30.75MJ。

2.5 工藝優(yōu)化建議

為了進(jìn)一步分析整個(gè)DFW 處理過程的優(yōu)化潛力和優(yōu)化方向，使整個(gè)工藝過程在能量上能實(shí)現(xiàn)輸入與輸出的平衡，本研究分析了工藝過程中的能量輸入/輸出與其主要影響因素的變化規(guī)律。如2.4節(jié)所述，HTT和泥餅熱干化過程是整個(gè)工藝中兩個(gè)主要的能量輸入點(diǎn)，液相產(chǎn)物二次AD產(chǎn)甲烷產(chǎn)能是主要的能量輸出點(diǎn)。因此，主要分析了與這三個(gè)過程相關(guān)的因素，包括：HTT 加熱能耗的回收率（HTT過程）、脫水后泥餅的含水率（熱干化過程）、液相產(chǎn)物的產(chǎn)甲烷潛勢（二次AD 產(chǎn)甲烷過程）。在160℃、60min 的HTT 處理過程的最佳條件下，通過計(jì)算各因素的變化對凈能量的影響，分析了各因素對整個(gè)工藝過程能量輸入/輸出平衡的影響，凈能量的相應(yīng)變化如圖6所示。

圖6 加熱能耗回收率、脫水后泥餅含水率和產(chǎn)甲烷潛勢對工藝過程凈能量的影響規(guī)律

HTT加熱能耗的回收率與工藝凈能量投入呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)線性關(guān)系，加熱能耗回收率越高，工藝的能量凈投入就越少。如果可以通過工藝優(yōu)化和熱能管理將HTT熱能回收利用率由85%提高至90.5%，可以減少30.75MJ/t DFW 的能量輸入。此外，經(jīng)機(jī)械脫水后的DFW 泥餅含水率對熱干化的能耗有很大影響，尤其當(dāng)含水率高于80%時(shí)，影響更為顯著。在本研究中，經(jīng)過HTT 處理和離心脫水后，DFW泥餅的含水率為80.2%。如果通過優(yōu)化機(jī)械脫水工藝將該值進(jìn)一步降低，可以減少泥餅熱干化過程的能量輸入。機(jī)械脫水后的泥餅含水率達(dá)到67.0%時(shí)，可以減少30.75MJ/t DFW 的能量輸入，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)工藝過程中的能量輸入/輸出平衡。在DFW液相產(chǎn)物二次AD過程中，甲烷的產(chǎn)量決定了工藝過程的能量輸出?？梢酝ㄟ^優(yōu)化AD工藝參數(shù)，使液相產(chǎn)物的產(chǎn)甲烷潛勢從0.25L/g COD 提升至0.31L/g COD，液相產(chǎn)物經(jīng)過AD 可以多產(chǎn)生0.86m的甲烷氣體，即增加30.75MJ/t DFW 的能量產(chǎn)出，從而整個(gè)DFW處理工藝過程在能量上能實(shí)現(xiàn)輸入/輸出平衡。

因此，HTT加熱能耗的回收率、脫水后泥餅的含水率、液相產(chǎn)物的產(chǎn)甲烷潛勢對整個(gè)過程的能量輸入/輸出平衡具有重要意義，是該工藝過程重要的優(yōu)化方向。

3 結(jié)論

（1）HTT 工藝使DFW 的脫水性能得到改善。當(dāng)水熱溫度為160℃時(shí)，離心后泥餅的產(chǎn)量和含水率分別降低至31.91kg/t DFW 和80.26%。相比于未處理DFW，可以減少61.35%的泥餅熱干化能量輸入。

（2）HTT提高了DFW液相產(chǎn)物通過AD工藝產(chǎn)甲烷的潛力。當(dāng)HTT溫度為160℃時(shí)，DFW液相產(chǎn)物的甲烷產(chǎn)量最高（3161L/t DFW），是未經(jīng)HTT處理的3.22倍。

（3）從能量衡算角度分析，HTT處理技術(shù)溫度的提高增加了加熱能量的輸入，但是減少了后續(xù)熱干化過程的能量輸入，增加了DFW 液相產(chǎn)物的產(chǎn)甲烷產(chǎn)能。當(dāng)HTT 溫度為160℃，整個(gè)HTT 與AD耦合工藝凈能量輸入最少，為30.75MJ/t DFW。

（4）HTT加熱能耗的回收率、脫水后泥餅的含水率、液相產(chǎn)物的產(chǎn)甲烷潛勢是影響整個(gè)處理工藝能量輸入輸出的最主要因素。通過后續(xù)工藝參數(shù)優(yōu)化，可以進(jìn)一步降低整個(gè)工藝過程的凈能量輸入，實(shí)現(xiàn)能量輸入/輸出平衡。