城市污水处理厂污泥中能源物质利用的研究进展

2020-01-15李萍萍东营职业学院山东东营257091

化工管理 2020年32期

李萍萍(东营职业学院，山东东营 257091)

0 引言

城市人口最近几年正在快速增长，而且城市化进程速度也在逐渐加快，进而也在一定程度上增加了城市污水厂负荷和城市生活污水的排放量[1]。我国在对污水进行处理时，常用的方法为活性污泥法，该方法会产生很多污泥，相关统计数据显示在2020年，我国的污泥年产量预计会超过6000万吨。市政污泥处理的传统方法为土地利用、焚烧、卫生填埋等。国家有关污泥处置、农业、食品安全规范中对生物固体在农业中的应用标准、环境保护标准越来越严格，进而也在一定程度上限制了传统的污泥处理处置方式，所以污泥资源环境问题也越来越严重[2]。污泥中具有较高的有机物含量，能产生各种能源物质，如生物燃料、沼气等，所以回收利用污泥中的能源物质也开始受到人们的重视。本研究主要分析了城市污水处理厂污泥中能源物质利用的研究进展，具体情况如下。

1 城市污水处理厂的污泥处理现状分析

污泥、污水两者一般都是共同存在的，在处理污水时往往会产生污泥，而污水中所存在的这些污泥，占比虽然较低，但是却需要引起重视，对污水处理厂的污泥进行合理合理和科学地处理。

1.1 污泥的处理现状

相关统计数据显示，在我国社会经济快速发展和进步的过程中，我国的污水排放量也表现出逐年增加的趋势[3]。尤其是在工业发达的城市中，污泥量问题更加显著。加入全部处理掉我国的污泥，会得到超千万吨，在全部的固体废弃物中，污泥的占比非常高。所以在对污泥问题进行处理，应保证整体的规划性和科学性。然而现阶段，我国在对污泥进行处理时，还缺乏健全的法律法规，现阶段的污泥处理法规主要为《城市污水处理厂污水污泥排放标准》、《城镇污水处理厂污染物排放标准》、《农用污泥中污染物控制标准》等。并未详细解释病原体、有机污染物等，重金属也缺乏法定的衡量标准[4]。所以在对污泥进行处理无法可依，进而重新破坏和污染环境。

1.2 污泥的处理方法

在科技水平等因素的限制下，现阶段我国在对污泥进行处理时，稳定、常用的处理工艺包括加碱稳定、加热干化、热处理、好氧消化、厌氧消化等[5]。处理污泥的最终目的是通过科学的处理工艺，将原来不稳定、容易腐败的污泥变得稳定、不容易被腐败，对污泥病原体进行有效灭除，让污泥的腐败臭味消除，进而来充分利用。现阶段人们在对污泥进行处理时，常用的处理办法为土地利用、焚烧、卫生填埋等。(1)土地利用：现阶段国内在对污泥进行处理，污泥农用的处理方式已处在边缘化。污泥农用虽然是通过自身能力来处理污泥，而且污泥中的部分微生物菌体和有机物能促进农作物生产，属于比较理想的一种土壤改良剂。但是污泥中也存在有害元素，会在一定程度上危害农作物的生长；(2)焚烧：我国在对污泥进行处理时，焚烧的位置占比较少。通过焚烧处理虽然能有效释放污泥中的有机物，将有害物质消除和杀死；具有减少量、可回收、时间快等特点，能最大量的无害化、彻底[6]。但是在对污泥进行焚烧处理时，产生的部分气体可能会对空气造成污染，进而对空气质量造成影响。要想对污泥进行一次性处理，则需要很高的经济成本，但是取得的效益却较低；(3)卫生填埋：过往人们在对污泥进行处理时，最常用的一种处理办法就是通过垃圾填埋场对污泥进行处理，这种处理办法对技术的要求较低，而且操作比较简单方便。但是在时间逐渐推移的过程中，污泥量和垃圾在不断增加，污泥中的部分微量元素和有机物会在一定程度上影响地下水，导致比较严重的后果。除此之外，占用的垃圾场较多，因此垃圾场不愿进行污泥处理。

1.3 污泥处理的问题

城市污水处理厂应正确认识污泥的处理问题：(1)污泥的处理处置技术，还无法对污泥进行高效得到物质回用和能量回收；(2)污泥问题现阶段还缺乏系统性支撑，如技术政策、标准体系、市场机制、管理体制；(3)在对污泥进行处理处置时，缺乏明确的责任主体。

2 回收利用污泥中的能源组分

2.1 污泥消化产生沼气

现阶段污泥厌氧消化技术已得到了非常广泛的应用，但是常规厌氧消化工艺的问题却比较突出，如沼气产气率不高、停留时间长、污泥降解率不高等，而且处理的污泥含固率一般为3%～5%，处于较低水平，需要大体积的设备，进而让资金投入增加。根据上述问题，有学者通过对污泥厌氧消化性能进行改善让沼气产气率提高，并开始深入分析和研究高含固率的污泥厌氧消化技术。有学者以2:1的比例将猪粪与脱水的污泥进行混合厌氧消化，进而明显提高了甲烷产率。另外也有临床研究结果显示，混合处理厨余垃圾和污泥，能对厌氧消化性能进行一定改善，让沼气产气率明显提升。污泥中的微生物细胞壁水解过程为厌氧消化限速阶段，预处理能对污泥中的微生物细胞结构进行破坏，让厌氧消化速率明显提高。相关临床研究结果显示，超声处理能明显提升污泥消化的产气量。除此之外，对污泥进行预处理联合热水解超声处理，能显著提升厌氧消化产气性能。

高含固率污泥厌氧消化工艺是现阶段的研究热点，其优势主要表现为投资低、设备体积小、处理负荷高、产气效率高等。有学者通过对热水解-高温厌氧消化工艺处理高含固率剩余污泥的效果进行分析可知，在甲烷产率、有机物去除率方面，该工艺与传统污泥厌氧消化工艺类似。通过对高含固率污泥厌氧消化工艺的各项参数、条件进行优化，或者对污泥进行热碱预处理等，均能取得比较理想的消化效果和产气量。现阶段我国还需要在工程运行和设计方面深入研究高固污泥消化，实现工业化应用。

2.2 污泥产生生物燃料

(1)污泥产生氢气：现阶段污泥制氢的常用方法包括热化学法、生物发酵法。污泥热化学法制氢具体包括气化、热解等。研究结果显示，污泥温度越高、含湿量越大，则越有利于产生氢气。超临界水的融合力和氧化力较强，在污泥气化产氢研究中得到了广泛应用。超临界水气化不但能让转化率明显提高，而且不需要干燥处理具有较高含水率的底物。相关临床研究结果显示，超临界水能直接气化含水率为76.2%～94.4%的污泥。对比分析厌氧消化法和超临界水气化处理初沉污泥的结果发现，运行期间超临界水气化所需的输入能量更大。正常情况下，在污泥固体浓度超过15%时，开展超临界水气化制氢的工业应用才具有意义。超临界水气化制氢作为污泥能源化技术，其发展前景虽然比较理想，但是现在还应加强试验研究，对高效催化剂进行研制，对反应条件进行优化，让产氢效率明显提高，并让运行能耗降低。在研究生物发酵制氢技术时，主要集中在有机废弃物与污泥混合发酵制氢、发酵影响因素的分析、各种预处理方法。对污泥预处理，不但能对产氢菌进行筛选，而且还对污泥细胞进行破坏，让有机物可利用性明显提高，让产氢量明显增加。利用污泥与城市有机固体废弃物共同发酵也能让氢产量明显提高。现阶段的研究主要是基于间歇培养试验，连续产氢则是污泥生物发酵制氢实现工业化的前提。让污泥的产氢稳定性和连续产氢能力提高则是今后研究的重点。

(2)污泥产生合成气：CO和H2的混合气体被称之为合成气。合成气不但能产热发电，而且还能合成各种化工产品，如成烃、醇、醚类。热裂解技术为合成气的传统制备方法，但是该方法具有合成气比例低、热效率不高等缺点，所以可以选择微波加热法让热解效率明显提高。微波能与原子或者分子直接作用，传递能量，能让传热阻力明显降低，其优点主要为节省能源、耗时少、热解效率高、穿投诉率快等。

(3)污泥产生生物柴油：动物脂肪、植物油为产生生物柴油的主要原料，植物油交个比较昂贵，在生物柴油的生产成本中，原料成本的占比大约为70%～85%，污泥的来源广泛，数量较多，同时存在的油脂较多，可以将其作为生物柴油的制备原料。在采用污泥进行生物柴油制备时，常用的方法主要为一步法、两步法；前者是利用污泥直接转酯化，后者则是选择溶剂对污泥的油脂进行提取，然后转酯化。相关临床研究结果显示，和两步法相比较，一部分的生物柴油产率更高。和两步法相比，浮渣污泥、二沉污泥、初沉污泥经原位脂基转移法获得的生物柴油产率更高。因为污泥微生物细胞中的脂质量较大，采用提取剂无法将其有效提取出来，所以需要破壁处理污泥细胞。破壁方法主要为冻融法、菌株自溶法、酶处理法、超声破碎法、微波破碎法、化学破碎法、高压均浆破碎法等。

2.3 污泥产电

相关临床研究结果显示，直接通过污泥进行微生物燃料电池产电得到的输出功率密度为3～30W/m3或40～250mW/m2、电压为400～700mV。溶解性化学需氧量、阴极材料、阴阳间距、电池阳极面积、pH值、离子添加剂投加量和种类等均会对微生物燃料电池的产电性能产生影响，深入探究这些因素，能让微生物燃料电池的输出功率密度和产电电压明显提高。污泥中的大部分有机物为细胞物质，细胞壁会对产电微生物对细胞内部的有机物利用造成一定影响，进而对微生物燃料电池的产电效率造成限制，所以对污泥预处理，对细胞壁进行破坏，能让溶解性的有机质浓度明显提高。现阶段的预处理方法包括碱处理、加热处理、表面活性剂处理、超声波处理以及微波处理等。