預(yù)處理 |提高污泥降解和強化厭氧消化的策略
污泥處置和管理是目前全球性的棘手問題。污泥含有眾多有毒有害物質(zhì)，例如病原體、重金屬和一些有機污染物等，這些物質(zhì)不僅產(chǎn)生臭味，而且?guī)砗芏嘈l(wèi)生隱患。如果不對污泥進行適當(dāng)處理，將對環(huán)境和公眾健康帶來非常嚴(yán)重的影響。污水處理行業(yè)所面臨的壓力，除了出水標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)格之外，還有污泥問題。污泥處置的成本很高，一般占到污水廠總運行費用的50%。污水處理行業(yè)要實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，需要運用經(jīng)濟可行的污泥處理技術(shù)來提高污水廠的運營效益。
目前代表性的應(yīng)用技術(shù)包括填埋、堆肥、干化焚燒、厭氧消化、土地利用和循環(huán)回用作建筑材料。其中厭氧消化是極具前景的技術(shù)，將污泥中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成生物沼氣，作為化石燃料替代品，這能切切實實地降低污水廠的經(jīng)營成本。
厭氧消化是一個多步反應(yīng)組成的工藝技術(shù)，主要可分為水解、酸解(發(fā)酵)、產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷四大步。許多研究的結(jié)果都顯示水解是反應(yīng)速率限制的關(guān)鍵步驟所在，因為污泥中的復(fù)雜絮狀結(jié)構(gòu)(例如EPS胞外聚合物)和堅硬的細胞壁都導(dǎo)致反應(yīng)停留時間的延長、有機固體降解率的降低和甲烷的低產(chǎn)率。為了加快水解速率和厭氧消化的整體效率，各種預(yù)處理技術(shù)應(yīng)運而生。
▲ 厭氧消化的步驟分解示意圖
最近，5位來自中國和日本的學(xué)者在Elsevier出版的期刊“Renewable and Sustainable Energy Reviews”上發(fā)表了一篇題為“Overview of pretreatment strategies for enhancing sewage sludge disintegration and subsequent anaerobic digestion: Current advances, full scale application and future perspectives”的綜述文章，其中第一作者是任職上海華東師范大學(xué)的甄廣印教授，通訊作者則為任職日本國立東北大學(xué)的李玉友教授。兩位學(xué)者在厭氧微生物學(xué)、污水處理及廢棄物處理和生物質(zhì)資源利用等方面都有深入的科學(xué)研究，也取得了若干有重要理論意義和工程價值的成果。
這篇綜述參考了208篇相關(guān)文獻，介紹了各種預(yù)處理技術(shù)的基本原理、最近進展、技術(shù)潛力、最新的商業(yè)應(yīng)用以及可能的價值利益，包括了物理、熱學(xué)、化學(xué)、生物方法為原理的技術(shù)。
▲ 自2000年起厭氧消化的發(fā)表文章分析
聯(lián)合國人居署的數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，目前美國是污水污泥產(chǎn)量第一大國，中國和日本次之，年產(chǎn)干固污泥量分別為650、300和200萬噸。美國和日本的污泥處置率為94%和97%，其中在日本，超過一半的污泥都經(jīng)處理作為建筑材料回用，12%經(jīng)厭氧消化回收生物能。但是在中國的情況就比較堪憂，80%的污泥都沒有得到妥善處置，即使是填埋的污泥也可能未按照衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的60%含水率來處理，這給當(dāng)?shù)鼐用駧砹撕艽蟮陌踩[患。
▲ 中美日三國的污泥去向?qū)Ρ?/span>
污泥絮體是一種多相介質(zhì)，主要由微生物聚合體、絲狀菌、有機和無機顆粒物、EPS胞外聚合物和水組成。不同類型的污泥的具體組成有所不同。而EPS是污泥有機成分的主要構(gòu)成物質(zhì)。EPS的主要成分又分為蛋白質(zhì)、多糖、核酸、胡敏酸和脂類物質(zhì)。
污泥的復(fù)雜微結(jié)構(gòu)和組成增加了水解的難度。這使得進行厭氧發(fā)酵之前，需要對污泥進行預(yù)處理，降低污泥生物降解的阻力。預(yù)處理的主要目的在于干擾EPS和細胞壁的結(jié)構(gòu)，使得微生物能夠更好地獲得有機物和其他營養(yǎng)物質(zhì)，從而加快有機物的轉(zhuǎn)化和甲烷的生成。本文統(tǒng)計了以下幾種預(yù)處理技術(shù)。由于篇幅較長，在這里不對每項具體技術(shù)的原理作重復(fù)介紹，只提及其作用效率以及工程應(yīng)用的現(xiàn)狀。
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污泥預(yù)處理應(yīng)用技術(shù)總覽 |
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機械預(yù)處理 |
超聲波預(yù)處理 |
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微波預(yù)處理 |
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電動力降解 |
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高壓均勻化(HPH) |
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熱水解 |
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化學(xué)預(yù)處理 |
酸化和堿化預(yù)處理 |
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臭氧 |
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芬頓氧化 |
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亞鐵活化過硫酸鹽氧化 |
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生物預(yù)處理 |
溫度分級厭氧消化(TFAD) |
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微生物電解池(MEC) |
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超聲波預(yù)處理
超聲波是一項已經(jīng)很成熟的降解污泥的機械技術(shù)。據(jù)有關(guān)文獻統(tǒng)計，目前超聲波預(yù)處理有至少20個全尺寸工程應(yīng)用和17個中試項目，大部分都在德國。這些設(shè)備對揮發(fā)性固體破壞度和生物沼氣產(chǎn)量的改善百分比均在15-35%不等。
微波照射
跟超聲波類似，微波照射也是很流行的加熱技術(shù)，然而不同研究顯示的微波照射處理效果差異較大甚至得到截然相反的結(jié)論。但微波照射對破壞病原體有較顯著效果。綜述中沒有關(guān)于微波照射工程案例的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。
電動力降解
電動力降解(Electrokinetic disintegration)，又名脈動電場(pulsed electric field)。是一種新近開發(fā)的預(yù)處理技術(shù)，而且已經(jīng)有若干個全尺寸工程應(yīng)用的數(shù)據(jù)。其中一個比較著名的設(shè)備供應(yīng)商來自德國，并提供模塊化安裝。
高壓均質(zhì)化
高壓均質(zhì)機被形容為運行簡單、投資小、能耗低的預(yù)處理技術(shù)。目前有來自加拿大和美國的工程應(yīng)用數(shù)據(jù)參考。
▲ 四種機械預(yù)處理設(shè)備示意圖
熱水解也是一項很成熟并得到廣泛應(yīng)用的預(yù)處理技術(shù)。著名的商業(yè)應(yīng)用品牌包括了CambiTHP和Biothelys。
▲ CambiTHP™(a) 和 Biothelys®(b)兩種熱水解工藝流程圖對比
化學(xué)預(yù)處理就是通過使用強反應(yīng)劑來破壞細胞壁和細胞膜，文獻中使用過的反應(yīng)劑包括了酸、堿和各種強氧化劑。
生物預(yù)處理有很多，文中只列舉了酶水解、預(yù)消化，以及使用霉菌或生物表面活性劑。其中預(yù)消化，主要指溫度分段厭氧消化（TPAD- temperature phased anaerobic digestion），在中溫厭氧消化之前增加一個高溫預(yù)處理單元。
MEC微生物電解池則是一種新興的產(chǎn)甲烷技術(shù)，但因為諸多技術(shù)問題有待解決，目前還有實際的工程應(yīng)用案例。
作者將4大類10個預(yù)處理技術(shù)進行了優(yōu)缺點對比，還附上了工作原理、關(guān)鍵控制參數(shù)和商業(yè)應(yīng)用技術(shù)，并特別提及了一些已經(jīng)申請了專利的預(yù)處理技術(shù)，主要是前三類的技術(shù)，包括了CambiTHP™和Biothelys®(熱水解)、Biosonator(超聲波)、Aspal SLUDGE™、Praxair® Lyso™ (微波)、BioCrack(電動力降解)、MicroSludge™和Cellruptor(HPH)等。因為可能生物技術(shù)的研究還沒完全透徹，所以作者找不到相關(guān)的商業(yè)應(yīng)用案例和專利。作者指出，可規(guī)模化是生物預(yù)處理實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵所在。
除了預(yù)處理之外，作者指出污泥處理也有關(guān)注資源回收的問題，例如將沼渣后處理提取有附加值的副產(chǎn)品，例如通過化學(xué)沉淀回收的鳥糞石，或者高溫?zé)峤馍筛邷靥?pyrochar)和活性炭。
作者還分析說，一項技術(shù)的可行性不僅依賴于污泥降解率和甲烷產(chǎn)量，還有它在能耗和環(huán)境的綜合收益，例如它對后續(xù)工序的影響——脫水、運輸和最終處置(填埋、焚燒、堆肥或者土地利用)，還有相應(yīng)的溫室氣體的排放量(如下圖)。作者承認(rèn)要對這些技術(shù)進行對比并不容易。首先是標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)的缺乏，使得技術(shù)間的對比變得困難。第二有些技術(shù)混合使用是比較變得更加困難。第三是在實際操作中運行人員的操作水平、設(shè)備的維護頻率和當(dāng)?shù)氐耐恋貎r格、電價、人工等都很難統(tǒng)一。對于未來的研究，作者認(rèn)為需要對預(yù)處理后的液體成分進行清晰鑒定，而且要建立一套更合理可靠的評判標(biāo)準(zhǔn)來對不同技術(shù)的經(jīng)濟效益進行評估對比。
▲ 污泥處理處置的完整流程圖
厭氧消化在污泥預(yù)處理中是非常具有發(fā)展前景的技術(shù)。10月17日-20日，第15屆IWA世界厭氧大會（15th IWA World Conference on Anaerobic Digestion）即將在北京舉行。大會邀請了從事厭氧研究和應(yīng)用的全球頂尖專家，將針對厭氧技術(shù)的創(chuàng)新研究，以及如何在污水/污泥處理中應(yīng)用厭氧工藝實現(xiàn)取得更好的處理效果、實現(xiàn)資源和能源回收等話題開展深入的討論。歡迎大家屆時參會，更多會議信息，請訪問大會官網(wǎng)。
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