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(jìn)程速度也在逐漸加快，進(jìn)而也在一定程度上增加了城市污水廠負(fù)荷和城市生活污水的排放量[1]。我國在對污水進(jìn)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(hù)標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)格，進(jìn)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(yán)重[2]。污泥中具有較高的有機(jī)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(jìn)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(jìn)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(jì)快速發(fā)展和進(jìn)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(dá)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(jìn)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(jìn)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(xì)解釋病原體、有機(jī)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(jìn)行處理無法可依，進(jìn)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(jìn)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(jìn)行有效滅除，讓污泥的腐敗臭味消除，進(jìn)而來充分利用?，F(xiàn)階段人們在對污泥進(jìn)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(jìn)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(jī)物能促進(jìn)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(jìn)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(jī)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(diǎn)，能最大量的無害化、徹底[6]。但是在對污泥進(jìn)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(jìn)而對空氣質(zhì)量造成影響。要想對污泥進(jìn)行一次性處理，則需要很高的經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(jìn)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(jī)物會在一定程度上影響地下水，導(dǎo)致比較嚴(yán)重的后果。除此之外，占用的垃圾場較多，因此垃圾場不愿進(jìn)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(rèn)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(jìn)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(jī)制、管理體制；(3)在對污泥進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行混合厭氧消化，進(jìn)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(jìn)行一定改善，讓沼氣產(chǎn)氣率明顯提升。污泥中的微生物細(xì)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(xì)胞結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jìn)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(diǎn)，其優(yōu)勢主要表現(xiàn)為投資低、設(shè)備體積小、處理負(fù)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(jìn)行分析可知，在甲烷產(chǎn)率、有機(jī)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(xiàng)參數(shù)、條件進(jìn)行優(yōu)化，或者對污泥進(jìn)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(yùn)行和設(shè)計方面深入研究高固污泥消化，實(shí)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(qiáng)，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(yùn)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(qiáng)試驗(yàn)研究，對高效催化劑進(jìn)行研制，對反應(yīng)條件進(jìn)行優(yōu)化，讓產(chǎn)氫效率明顯提高，并讓運(yùn)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(jī)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(jìn)行篩選，而且還對污泥細(xì)胞進(jìn)行破壞，讓有機(jī)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(jī)固體廢棄物共同發(fā)酵也能讓氫產(chǎn)量明顯提高?，F(xiàn)階段的研究主要是基于間歇培養(yǎng)試驗(yàn)，連續(xù)產(chǎn)氫則是污泥生物發(fā)酵制氫實(shí)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(diǎn)。

(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(diǎn)，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(diǎn)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(jìn)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(jìn)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?yàn)槲勰辔⑸锛?xì)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(xì)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(jìn)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(jī)物為細(xì)胞物質(zhì)，細(xì)胞壁會對產(chǎn)電微生物對細(xì)胞內(nèi)部的有機(jī)物利用造成一定影響，進(jìn)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(xì)胞壁進(jìn)行破壞，能讓溶解性的有機(jī)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(jìn)行深入分析和研究，以進(jìn)一步提高污泥的回收利用效率。