阮敏，孫宇桐，黃忠良，李輝，張軒，吳希鍇，，趙成，，姚世蓉，，張拴保，張巍，黃兢

（1 長(zhǎng)沙理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410114；2 湖南省林業(yè)科學(xué)院省部共建木本油料資源利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長(zhǎng)沙 410004）

污泥是污水處理的副產(chǎn)物，隨著我國(guó)污水廠建設(shè)速度加快和污水處理能力提高，污泥年產(chǎn)量劇增，根據(jù)《2019 年中國(guó)生態(tài)環(huán)境年報(bào)》給出的數(shù)據(jù)：2019 年我國(guó)建設(shè)有污水處理廠9322 家，設(shè)計(jì)處理能力達(dá)25 億噸/天，全年污泥產(chǎn)量增加至1457.6 萬(wàn)噸。污泥含水率高、易腐化發(fā)臭，而且含有重金屬、病原體、寄生蟲(chóng)卵等有毒有害物質(zhì)，未經(jīng)妥善處置極易造成二次污染，威脅環(huán)境安全和公共健康。污泥厭氧消化是利用厭氧微生物在無(wú)氧條件下通過(guò)生化反應(yīng)消化污泥中的有機(jī)物并產(chǎn)生沼氣的過(guò)程，其處理能耗低、水力停留時(shí)間短、甲烷產(chǎn)量高，是目前主流的污泥處理處置技術(shù)之一。從“碳中和”角度，污泥處理處置的碳排放一方面來(lái)源于處理處置過(guò)程中消耗能量所產(chǎn)生的能量源碳排放以及少數(shù)逸散性溫室氣體排放，另一方面來(lái)源于處理處置后生產(chǎn)的生物質(zhì)能源所形成的碳補(bǔ)償。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)污泥處理處置處于技術(shù)選擇階段，不同技術(shù)路線(xiàn)每年的碳排放量存在巨大差異。戴曉虎等統(tǒng)計(jì)了國(guó)內(nèi)不同技術(shù)路線(xiàn)典型工程的碳排放和凈能量數(shù)據(jù)，如圖1所示，四個(gè)典型厭氧消化工程的碳排放量在整體上低于其他三類(lèi)處理處置方式，并且厭氧消化與其他技術(shù)路線(xiàn)結(jié)合能夠有效降低污泥處理處置的能耗。

圖1 國(guó)內(nèi)污泥處理處置不同技術(shù)路線(xiàn)的碳排放和凈能量[7]

污泥的主要成分是水、微生物和胞外聚合物（EPS），含有豐富的蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、糖類(lèi)等，其有機(jī)成分含量高，是厭氧消化的合適底物。但EPS是一種復(fù)合高分子聚合物，微生物產(chǎn)生的水解酶不能完全降解這些高分子聚合物；同時(shí)，微生物細(xì)胞壁的抗水解性和細(xì)胞膜的選擇透過(guò)性使水解酶難以降解胞內(nèi)物質(zhì)，成為厭氧消化反應(yīng)的限速步驟。此外，污泥中的重金屬、氨氮和無(wú)機(jī)鹽也可能會(huì)抑制厭氧消化過(guò)程。因此，在厭氧消化前需要對(duì)污泥進(jìn)行預(yù)處理，分解部分高分子聚合物，改善細(xì)胞的通透性，并降低抑制因子的影響，進(jìn)而減少厭氧消化水力停留時(shí)間（HRT），提高甲烷產(chǎn)量。

污泥預(yù)處理的本質(zhì)是為厭氧消化過(guò)程的微生物提供更適宜的底物，通過(guò)物理、化學(xué)、生物方法將污泥中復(fù)雜的有機(jī)成分轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且容易降解的小分子物質(zhì)，并消除某些有機(jī)大分子的耐水解性。經(jīng)預(yù)處理后，水解步驟被加速，厭氧菌更容易獲得充足的底物，從而提高厭氧消化的甲烷產(chǎn)率及最終產(chǎn)量。早在2003年，Kim等研究了多種預(yù)處理手段對(duì)污泥厭氧消化的增強(qiáng)效果，并指出評(píng)價(jià)厭氧消化體系的主要指標(biāo)是甲烷產(chǎn)量。此后，甲烷產(chǎn)量成為評(píng)估污泥厭氧消化預(yù)處理性能的重要指標(biāo)。但最新研究顯示，由于抑制因子的影響，污泥的水解性能與甲烷產(chǎn)量未成正比，預(yù)處理過(guò)程產(chǎn)生的溶解性有機(jī)物不能完全被微生物利用。Li等對(duì)厭氧消化后的殘余物進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，腐殖質(zhì)和高分子（HMW）蛋白占比分別為35.0%和22.3%，說(shuō)明有超過(guò)50%難于被生物降解或不可生物降解的物質(zhì)，預(yù)處理消耗能量獲得的部分溶解性有機(jī)物并沒(méi)有在厭氧消化過(guò)程中轉(zhuǎn)化為甲烷存在能量損失。此外，有研究證實(shí)預(yù)處理強(qiáng)度到達(dá)某個(gè)范圍時(shí)，額外的能量輸入并不能使底物進(jìn)一步分解；而對(duì)于聯(lián)合預(yù)處理，降低能量輸入反而會(huì)產(chǎn)生更好的協(xié)同效果。

從厭氧消化體系的能量轉(zhuǎn)化而言，一方面，甲烷是厭氧消化體系主要的能量輸出，另一方面預(yù)處理過(guò)程本身需要消耗能量。在以往的研究中，通常認(rèn)為更高的甲烷產(chǎn)量代表更好的預(yù)處理效果，而忽略了預(yù)處理過(guò)程消耗的能量成本和能源經(jīng)濟(jì)可行性的要求。不同預(yù)處理過(guò)程的能耗需求差異較大，有文獻(xiàn)報(bào)道預(yù)處理過(guò)程提供的額外甲烷產(chǎn)量不足以抵消該過(guò)程消耗的能量，高能耗已成為限制預(yù)處理方法推廣應(yīng)用的重要因素。Passos 等建立了幾類(lèi)預(yù)處理-厭氧消化體系的能量計(jì)算方法，將厭氧消化過(guò)程中輸入與輸出的能量進(jìn)行量化。此后多數(shù)研究采用能量平衡分析來(lái)評(píng)估厭氧消化預(yù)處理的性能，并對(duì)其進(jìn)行能源經(jīng)濟(jì)可行性評(píng)估，發(fā)現(xiàn)相比于熱、堿預(yù)處理，超聲和微波等消耗電能的預(yù)處理方法的經(jīng)濟(jì)性更差。而在厭氧消化體系中，輸入的能量為預(yù)處理消耗的能量與污泥達(dá)到厭氧消化反應(yīng)條件所需的能量之和；由于預(yù)處理沒(méi)有能量輸出，因此，能量輸出僅為厭氧消化后得到的甲烷所轉(zhuǎn)化的能量。能量平衡分析是通過(guò)計(jì)算凈能量建立起甲烷產(chǎn)量與厭氧消化所消耗的能量成本之間的聯(lián)系。因此，凈能量可以作為污泥預(yù)處理性能評(píng)價(jià)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

本文總結(jié)了各類(lèi)污泥預(yù)處理方法的作用機(jī)理及對(duì)厭氧消化的抑制因子等方面的研究進(jìn)展，對(duì)比了典型的熱預(yù)處理、堿預(yù)處理、超聲預(yù)處理及其聯(lián)合處理分別在甲烷產(chǎn)量、凈能量和凈利潤(rùn)等指標(biāo)上的研究結(jié)果，并在污泥厭氧消化效率評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上分析了上述預(yù)處理方法在能源和經(jīng)濟(jì)層面的可行性，進(jìn)而為污泥厭氧消化預(yù)處理方案的選擇、優(yōu)化和評(píng)估提供多維度的理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 預(yù)處理-厭氧消化體系的作用機(jī)理和抑制因子

污泥的厭氧消化預(yù)處理技術(shù)可以將污泥中部分難于降解的高分子聚合物轉(zhuǎn)化為可溶性的有機(jī)小分子，在生產(chǎn)甲烷方面具有巨大潛力。雖然預(yù)處理過(guò)程促進(jìn)了污泥中有機(jī)物的溶出，但是這些溶解有機(jī)物中的腐殖質(zhì)和高分子蛋白等成分不能完全被生物降解，且這些成分在厭氧消化殘余物中占50%以上。此外，熱、化學(xué)、超聲波、微波輻射等預(yù)處理過(guò)程可能引起污泥的pH、溫度、離子濃度以及重金屬濃度的變化，或通過(guò)揮發(fā)性脂肪酸（VFA）或氨氮的累積對(duì)污泥微生物群落演變產(chǎn)生巨大影響，進(jìn)而抑制污泥水解的酸化和產(chǎn)甲烷過(guò)程。因此，高強(qiáng)度的預(yù)處理雖然可以提高有機(jī)物溶解性，但是其產(chǎn)生的抑制因子和難降解化合物會(huì)降低甲烷產(chǎn)量。有研究總結(jié)了預(yù)處理過(guò)程可能產(chǎn)生的抑制因子以及它們的濃度范圍，如表1所示。

表1 常見(jiàn)的厭氧消化抑制劑

1.1 熱預(yù)處理

熱預(yù)處理是目前廣泛應(yīng)用且效果顯著的預(yù)處理方法。在熱預(yù)處理過(guò)程中，溫度升高導(dǎo)致分子的振動(dòng)速率增大，動(dòng)能提高，可使污泥中微生物細(xì)胞壁和細(xì)胞膜的化學(xué)鍵斷裂，從而溶解并釋放細(xì)胞內(nèi)有機(jī)物。熱預(yù)處理能夠提高污泥的生物溶解和降解性能并增加甲烷產(chǎn)量，減少揮發(fā)性固體的產(chǎn)生，以及釋放污泥中的結(jié)合水以改善脫水性能，從而實(shí)現(xiàn)污泥無(wú)害化、減量化。一般認(rèn)為熱預(yù)處理的作用效果取決于溫度，大量關(guān)于熱預(yù)處理的研究將加熱溫度控制在60～270℃。Strong 等的研究表明，在沒(méi)有其他預(yù)處理方法介入時(shí)，熱預(yù)處理的最佳溫度范圍在160～180℃。

然而，過(guò)高的熱預(yù)處理溫度會(huì)抑制厭氧消化反應(yīng)。熱預(yù)處理過(guò)程中高溫對(duì)氨氮濃度的影響尤為明顯。Xu等的研究表明，高溫會(huì)導(dǎo)致氨氮濃度增加，從而抑制厭氧微生物代謝和演變過(guò)程。此外，熱預(yù)處理的溫度對(duì)污泥中難降解有機(jī)化合物含量（SCOD）的影響也較明顯，而難降解化合物的增加是導(dǎo)致污泥增溶與甲烷產(chǎn)量不成正比的重要原因。Toutian 等在120～170℃范圍內(nèi)對(duì)污泥進(jìn)行熱預(yù)處理并測(cè)定SCOD，結(jié)果顯示，隨溫度升高SCOD提升3.9%～8.4%。

1.2 堿預(yù)處理

單獨(dú)的堿預(yù)處理是在室溫條件下向污泥中添加堿以調(diào)節(jié)污泥的pH。堿性物質(zhì)加入后，微生物細(xì)胞膜上的脂類(lèi)物質(zhì)發(fā)生皂化反應(yīng)，蛋白質(zhì)發(fā)生水解反應(yīng)，此時(shí)細(xì)胞膜難以控制物質(zhì)進(jìn)出，內(nèi)外滲透壓失去平衡，導(dǎo)致細(xì)胞破裂，胞內(nèi)物質(zhì)溶出。近年來(lái)，更多的研究將熱與堿聯(lián)合進(jìn)行預(yù)處理，是因?yàn)閴A性條件可以強(qiáng)化熱預(yù)處理對(duì)污泥的溶解效果，因此熱堿聯(lián)合預(yù)處理兼?zhèn)錈岷蛪A預(yù)處理的優(yōu)點(diǎn)，并產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)。有研究對(duì)比了熱和熱堿聯(lián)合預(yù)處理的作用效果，結(jié)果顯示，污泥有機(jī)質(zhì)的溶解性提高了27.9%和42.9%，熱堿預(yù)處理的效果更為明顯。

但過(guò)高的pH 對(duì)厭氧消化體系產(chǎn)生抑制作用，因?yàn)槲勰嘀械奈⑸飳?duì)pH 敏感，而產(chǎn)甲烷菌是最敏感的菌群之一，其適宜的pH 范圍為6.5～7.2。此外，研究發(fā)現(xiàn)，pH 還會(huì)改變厭氧消化過(guò)程中的中間產(chǎn)物，例如產(chǎn)酸步驟在較低pH時(shí)的產(chǎn)物主要是乙酸和丁酸，而在pH超過(guò)8.0時(shí)，其主要產(chǎn)物是乙酸和丙酸。常用的堿性物質(zhì)為NaOH，Li 等的研究表明，NaOH比其他堿性物質(zhì)更有效。值得注意的是，采用NaOH 調(diào)節(jié)pH 的過(guò)程會(huì)引入額外的鈉離子。還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）和三磷酸腺苷（ATP）是生命活動(dòng)中的關(guān)鍵輔酶和能量載體，鈉離子對(duì)它們的形成至關(guān)重要，但過(guò)高的鈉離子濃度則會(huì)干擾微生物的代謝過(guò)程。Kumar 等研究了鈉離子濃度對(duì)污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鈉離子的最佳濃度為350mg/L，濃度在3500～5500mg/L 時(shí)會(huì)造成中等程度的抑制影響，而濃度超過(guò)8800mg/L 時(shí)則有強(qiáng)烈的抑制影響。

1.3 超聲預(yù)處理

超聲預(yù)處理是一種十分有效的預(yù)處理方法，它可以顯著改善污泥中有機(jī)物的生物降解性能。超聲預(yù)處理的作用機(jī)理主要依賴(lài)“空化”現(xiàn)象。當(dāng)超聲在污泥介質(zhì)中傳播時(shí)，會(huì)產(chǎn)生壓縮和拉伸作用，并造成正壓和負(fù)壓，在污泥中形成密集區(qū)域和稀疏區(qū)域。過(guò)大的負(fù)壓會(huì)使稀疏區(qū)域中產(chǎn)生微氣泡，這個(gè)過(guò)程可以理解為超聲對(duì)污泥的“推”“拉”作用，“拉”力過(guò)大時(shí)會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生微氣泡，氣泡不斷生長(zhǎng)直至破裂，破裂產(chǎn)生的沖擊波會(huì)加速污泥中有機(jī)物分解，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為“空化”。Tiehm和Nickel等早在1997年提出了超聲對(duì)微生物細(xì)胞的作用機(jī)制，發(fā)現(xiàn)微生物短暫暴露于超聲作用時(shí)，細(xì)胞壁會(huì)變薄并釋放細(xì)胞內(nèi)有機(jī)物，從而促進(jìn)后續(xù)的厭氧消化過(guò)程。

然而，與熱預(yù)處理類(lèi)似，超聲預(yù)處理同樣對(duì)污泥中氨氮的濃度造成影響。Martín等對(duì)污泥進(jìn)行超聲預(yù)處理后發(fā)現(xiàn)，高強(qiáng)度的超聲預(yù)處理導(dǎo)致氨氮濃度顯著增加。污泥中的氨氮一般以NH和NH的形式存在，而NH是抑制厭氧消化的主要原因，這是因?yàn)镹H能夠自由穿過(guò)細(xì)胞膜，改變污泥微生物細(xì)胞內(nèi)環(huán)境而導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)質(zhì)子失衡（主要是鈉鉀平衡）。以往的研究對(duì)厭氧消化過(guò)程中氨的抑制機(jī)制提出幾種假設(shè)：①通過(guò)改變微生物細(xì)胞內(nèi)的pH抑制其活性；②增加微生物生命活動(dòng)的能量需求；③抑制特定的酶促反應(yīng)。此外，氨氮通過(guò)影響產(chǎn)甲烷菌和硫酸鹽還原菌而影響硫的轉(zhuǎn)化，氨氮濃度升高直接抑制厭氧消化過(guò)程中半胱氨酸裂解酶和蛋氨酸裂解酶的活性，最終影響揮發(fā)性硫化物（VSC）的轉(zhuǎn)化，使厭氧消化產(chǎn)生的沼氣中含有大量有毒成分。

1.4 微波預(yù)處理

微波的頻率是0.3～300GHz，處于紅外光和電磁譜中的無(wú)線(xiàn)電波之間，為非電離輻射的形式。工業(yè)上通常采用900MHz或2450MHz兩種較短的頻率。微波輻射以熱能的形式遠(yuǎn)程釋放能量，這種熱輻射可以使細(xì)胞膜破裂，從而改變其通透性，細(xì)胞內(nèi)的有機(jī)物質(zhì)可以穿透細(xì)胞膜釋放到液相。因此微波預(yù)處理被認(rèn)為是熱預(yù)處理技術(shù)的一種替代方法。

污泥中含有大量重金屬，預(yù)處理可使污泥解絮釋放重金屬，而微波輻射夠強(qiáng)化重金屬毒性，從而放大了重金屬對(duì)厭氧消化的抑制作用。其抑制作用主要表現(xiàn)在：重金屬能夠與微生物代謝所需的多種酶或輔酶結(jié)合并破壞其結(jié)構(gòu)和功能。關(guān)于重金屬對(duì)厭氧消化的抑制作用早有研究：Appels等研究了重金屬對(duì)微生物的抑制作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)重金屬的影響強(qiáng)度按照由強(qiáng)到弱依次排列為Cu＞Ni＞Zn＞Cr＞Cd＞Pb。Cu 的抑制作用最強(qiáng)，而Pb 最小。有文獻(xiàn)顯示，30mg 的Cu 就可以對(duì)微生物產(chǎn)生抑制作用，而Pb則需要5000mg以上。

1.5 生物預(yù)處理

生物預(yù)處理主要是在污泥中添加多種胞外酶，如脂肪酶、蛋白酶、內(nèi)聚糖酶及其組合酶。投加到污泥中的酶會(huì)黏附在污泥絮體表面，酶的不同活性位點(diǎn)作用于污泥絮體的相應(yīng)成分，使緊密的污泥結(jié)構(gòu)變得松散，難溶的有機(jī)大分子轉(zhuǎn)化為可溶性的小分子。生物預(yù)處理對(duì)污泥后續(xù)厭氧消化中微生物活性的抑制作用較小，但生物酶通常穩(wěn)定性差，容易在復(fù)雜的污泥環(huán)境中失活是此方法的主要問(wèn)題。

上述預(yù)處理方法都是通過(guò)分解污泥中的大分子有機(jī)物使其易于被微生物利用進(jìn)而轉(zhuǎn)化為甲烷。若將“預(yù)處理-厭氧消化”視為一個(gè)完整體系，除生物預(yù)處理外，熱、堿、超聲、微波預(yù)處理僅改變了某些無(wú)機(jī)化合物的組成及體系的能量，但體系內(nèi)的碳源是守恒的，符合熱力學(xué)中“閉口系”的概念。初始污泥的碳源由固相轉(zhuǎn)變?yōu)橐合嘧罱K進(jìn)入氣相，就是碳源的“液化”和“氣化”的過(guò)程?！耙夯敝饕憩F(xiàn)為污泥固相中有機(jī)物的減少和液相中有機(jī)物的增加，“氣化”即表現(xiàn)為最終的甲烷產(chǎn)量，兩方面的共同結(jié)果體現(xiàn)了預(yù)處理的性能。

2 預(yù)處理對(duì)厭氧消化性能的影響評(píng)估

預(yù)處理的主要作用表現(xiàn)在污泥液相中有機(jī)物增加和固相中有機(jī)物去除兩個(gè)方面，因此研究中通常以可溶性化學(xué)需氧量（SCOD）或可溶性化學(xué)需氧量占總化學(xué)需氧量的比值（SCOD/TCOD）來(lái)表征增溶的效果，以總固體（TS）降解率、揮發(fā)性固體（VS）降解率等指標(biāo)表征有機(jī)物的去除效果，有機(jī)物增溶和去除最終關(guān)系到后續(xù)厭氧消化甲烷產(chǎn)量的增加。因此，以往的研究通常以此作為預(yù)處理的基本評(píng)價(jià)指標(biāo)，并作為選擇預(yù)處理方法和優(yōu)化預(yù)處理?xiàng)l件（溫度、時(shí)間、pH等）的基本依據(jù)。

2.1 溶解性有機(jī)物評(píng)價(jià)指標(biāo)

預(yù)處理最直接的效果是改變污泥中有機(jī)物的分布情況，固相中的有機(jī)物向液相中轉(zhuǎn)移。SCOD、溶解性蛋白質(zhì)、碳水化合物等表征可溶性有機(jī)物含量的指標(biāo)通常被用以說(shuō)明預(yù)處理對(duì)厭氧消化性能的提升程度，并通過(guò)這些指標(biāo)對(duì)預(yù)處理方案進(jìn)行優(yōu)化。王磊、譚學(xué)軍等基于熱預(yù)處理后污泥SCOD與TCOD的比值提出了厭氧消化工藝優(yōu)化方案，優(yōu)化后的結(jié)果顯示：SCOD/TCOD 從0.5% 提高至33.5%。Lu 等更進(jìn)一步以溶解性有機(jī)物的分布規(guī)律評(píng)價(jià)熱預(yù)處理的性能，結(jié)果表明：高溫預(yù)處理主要改善了低分子量（LMW）蛋白和LMW多糖的釋放，超過(guò)50%的LMW 成分是類(lèi)固醇類(lèi)化合物和芳香族化合物。SCOD 也可以作為關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)不同類(lèi)型的預(yù)處理方法進(jìn)行對(duì)比。例如Kim 等使用SCOD/TCOD對(duì)超聲、堿、堿-超聲聯(lián)合預(yù)處理的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明：?jiǎn)为?dú)使用超聲或堿預(yù)處理的SCOD/TCOD增加率不超過(guò)50%，而堿-超聲聯(lián)合預(yù)處理的SCOD/TCOD可以達(dá)到70%，堿-超聲聯(lián)合預(yù)處理效果更加顯著。SCOD 也可用于說(shuō)明一些聯(lián)合預(yù)處理能夠取得高于單獨(dú)預(yù)處理的效果。有研究顯示，熱堿聯(lián)合預(yù)處理的SCOD要明顯高于單獨(dú)的熱預(yù)處理，低溫?zé)犷A(yù)處理與堿預(yù)處理結(jié)合可以利用堿性化學(xué)藥品代替部分高溫預(yù)處理的效果。Nazari等利用響應(yīng)面分析對(duì)熱堿聯(lián)合預(yù)處理的效果進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果顯示，熱堿聯(lián)合預(yù)處理在有機(jī)物溶出和降解方面均優(yōu)于熱預(yù)處理，最佳反應(yīng)溫度、時(shí)間和pH 分別為80℃、5h 和10，與單獨(dú)的熱預(yù)處理相比，該條件下污泥的SCOD增加了20%。

2.2 有機(jī)物降解率評(píng)價(jià)指標(biāo)

預(yù)處理后液相有機(jī)物增加必然伴隨著固相中有機(jī)物的減少。TCOD、VS 降解率、總懸浮固體（TSS）和揮發(fā)性懸浮固體（VSS）去除率等指標(biāo)均可以作為評(píng)價(jià)固相中有機(jī)物減量程度的關(guān)鍵指標(biāo)。一方面，有機(jī)物去除率（或降解率）可以作為預(yù)處理方法的優(yōu)化對(duì)象。李海兵等對(duì)微波預(yù)處理進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果顯示：最佳處理?xiàng)l件為500W功率下處理10min，該條件下與未經(jīng)預(yù)處理的污泥相比，微波預(yù)處理使污泥降解率提高到31.0%。Ebenezer等對(duì)微波預(yù)處理的優(yōu)化方案使污泥的生物降解率提高了70%；有研究對(duì)熱預(yù)處理進(jìn)行優(yōu)化，使TCOD 和VS 降解率分別提高至35%和41%。有機(jī)物去除率還可以作為關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)比各類(lèi)預(yù)處理的效果。于潘芬等以TSS、VSS 去除率等指標(biāo)對(duì)比了低溫-堿預(yù)處理和高溫?zé)犷A(yù)處理的效果，結(jié)果表明，高溫-堿預(yù)處理明顯優(yōu)于高溫?zé)犷A(yù)處理。Wang等通過(guò)對(duì)比原始污泥、熱預(yù)處理污泥和熱堿聯(lián)合預(yù)處理污泥的有機(jī)物降解率來(lái)評(píng)價(jià)各類(lèi)預(yù)處理的作用效果，結(jié)果顯示，預(yù)處理后原始污泥的有機(jī)物降解率為30.9%，熱預(yù)處理污泥為42.4%，熱堿聯(lián)合預(yù)處理為52.8%，熱堿聯(lián)合預(yù)處理效果更好。

2.3 甲烷產(chǎn)量評(píng)價(jià)指標(biāo)

甲烷是厭氧消化的最終產(chǎn)物，Kim 等在研究中提出沼氣和甲烷產(chǎn)量是評(píng)價(jià)預(yù)處理的重要指標(biāo)，并通過(guò)對(duì)比熱、化學(xué)、超聲、熱堿聯(lián)合四種預(yù)處理方式的產(chǎn)氣量來(lái)說(shuō)明熱堿聯(lián)合預(yù)處理具有最佳的作用效果，如圖2所示。

圖2 各類(lèi)預(yù)處理的甲烷和沼氣產(chǎn)量[15]

Kim 等以甲烷產(chǎn)量為目標(biāo)對(duì)超聲強(qiáng)度和水力停留時(shí)間（HRT）進(jìn)行優(yōu)化。趙陽(yáng)等以沼氣累積產(chǎn)量、沼氣日產(chǎn)氣速率、甲烷在沼氣中的占比等指標(biāo)對(duì)熱、堿、熱堿聯(lián)合、電化學(xué)四種預(yù)處理方式進(jìn)行了比較，結(jié)果顯示，電化學(xué)預(yù)處理最理想。眾多研究使用甲烷產(chǎn)量的相關(guān)指標(biāo)來(lái)說(shuō)明預(yù)處理在強(qiáng)化厭氧消化上的巨大潛力：熱預(yù)處理可以將甲烷產(chǎn)量提高至0.25L/g，累積甲烷產(chǎn)量比未經(jīng)預(yù)處理的污泥提高101.2%；熱堿預(yù)處理使甲烷產(chǎn)量增加25%～72%；超聲預(yù)處理后甲烷產(chǎn)量提升了49%；微波預(yù)處理使甲烷產(chǎn)量提高了20%，在最佳條件下累積甲烷產(chǎn)量提高了45.4%。

污泥預(yù)處理方法欲通過(guò)增加底物的溶出率和降解率來(lái)提高甲烷產(chǎn)量，但更好的底物溶解性和降解性并未得到后續(xù)更多的甲烷產(chǎn)量。Barrado 等對(duì)熱預(yù)處理的優(yōu)化方案顯示，加熱溫度和時(shí)間是影響污泥溶解性的重要參數(shù)，與未經(jīng)預(yù)處理的樣品相比，熱預(yù)處理能夠使污泥溶解度增加30%～41%，甲烷產(chǎn)量增加25%～72%，但二者之間沒(méi)有明顯的線(xiàn)性關(guān)系。Alzate等報(bào)道了經(jīng)120℃熱預(yù)處理的樣品相比于對(duì)照組的SCOD 提升近5 倍，但甲烷產(chǎn)量?jī)H提升了20%，進(jìn)一步證明了污泥溶解性的增加與甲烷產(chǎn)量無(wú)明顯相關(guān)性。有研究證實(shí)預(yù)處理強(qiáng)度到達(dá)某一節(jié)點(diǎn)時(shí)，額外的能量輸入不能使底物進(jìn)一步分解，而對(duì)于聯(lián)合預(yù)處理，降低能量輸入反而會(huì)產(chǎn)生更好的協(xié)同效果。因此，提高預(yù)處理強(qiáng)度會(huì)消耗更多的能量來(lái)增加底物溶解性，但是這部分能量沒(méi)有完全轉(zhuǎn)化為甲烷。

由此可見(jiàn)，污泥中SCOD的增加與TS的減少是兩個(gè)并行指標(biāo)，其預(yù)期結(jié)果是甲烷產(chǎn)量的提高。但不同形式的碳在相互轉(zhuǎn)化過(guò)程中需要克服抑制因子的阻力，這使得兩個(gè)指標(biāo)對(duì)預(yù)處理的選擇和優(yōu)化結(jié)果缺乏相關(guān)性。同時(shí)，預(yù)處理過(guò)程中造成的能源損耗和經(jīng)濟(jì)成本沒(méi)有被量化，導(dǎo)致缺乏對(duì)工程成本的考量。而能量指標(biāo)是一個(gè)典型的過(guò)程量，污泥中碳源的轉(zhuǎn)化包括耗能與產(chǎn)能，它可以作為貫穿整個(gè)過(guò)程的物理量對(duì)“預(yù)處理-厭氧消化”體系進(jìn)行評(píng)估，是基于傳統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的補(bǔ)充和完善。

3 預(yù)處理方法的能源和經(jīng)濟(jì)可行性評(píng)估

將能量平衡指標(biāo)與甲烷產(chǎn)量等指標(biāo)結(jié)合以評(píng)估預(yù)處理類(lèi)型和選擇預(yù)處理強(qiáng)度往往會(huì)得到不同的結(jié)論。從熱力學(xué)觀點(diǎn)來(lái)看，污水中60%的能量以有機(jī)物化合鍵的形式儲(chǔ)存，厭氧消化是從污泥中回收能量的主流技術(shù)，經(jīng)過(guò)復(fù)雜的生化過(guò)程后以甲烷、生物氫等形式輸出能量。預(yù)處理方法通過(guò)消耗電能、熱能或化學(xué)能以提高厭氧消化效率，從而獲得更高的生物質(zhì)能產(chǎn)出。因此，預(yù)處理過(guò)程中所消耗的能量與生物質(zhì)能產(chǎn)出之間的關(guān)系值得被關(guān)注。事實(shí)上，高能耗一直是限制預(yù)處理在工程應(yīng)用的瓶頸問(wèn)題。近年來(lái)，越來(lái)越多的研究開(kāi)始關(guān)注預(yù)處理-厭氧消化體系在能源經(jīng)濟(jì)上的可行性，通過(guò)能量平衡分析將厭氧消化體系中能量的輸入和輸出進(jìn)行量化，并計(jì)算其差值，定義為凈能量（net energy production）。同時(shí)，對(duì)預(yù)處理的經(jīng)濟(jì)成本和收益進(jìn)行核算，并以?xún)衾麧?rùn)（net cost）代表預(yù)處理方法在經(jīng)濟(jì)上的可行性。

3.1 預(yù)處理-厭氧消化體系的能量計(jì)算

對(duì)于產(chǎn)甲烷型厭氧消化而言，整個(gè)厭氧消化體系輸入能量是預(yù)處理能耗與污泥從初態(tài)達(dá)到厭氧消化條件所需要的能量之和，由于預(yù)處理沒(méi)有能量輸出，因此甲烷產(chǎn)量就代表了整個(gè)體系的能量輸出。

3.1.1 能量輸入計(jì)算

在厭氧消化過(guò)程中，如果舍去裝載、泵送、攪拌產(chǎn)生的能耗，那么能量輸入可以被分為熱能、電能和化學(xué)能等形式。

關(guān)于熱能的計(jì)算，大多數(shù)研究采用Passos 等的計(jì)算方法，見(jiàn)式(1)。

式中，是污泥消耗的熱能；是污泥密度；是污泥體積；是污泥比熱容；、分別是熱預(yù)處理的溫度和污泥的初始溫度（或環(huán)境溫度）。

超聲、微波等預(yù)處理方法通常是使用特定的儀器設(shè)備消耗電能來(lái)提高厭氧消化效率的，根據(jù)Kavitha等的研究，其消耗的電能可以通過(guò)式(2)計(jì)算。

式中，是預(yù)處理所需的電能；是輸入功率；是預(yù)處理時(shí)間。

化學(xué)預(yù)處理過(guò)程中消耗化學(xué)藥品也可以轉(zhuǎn)化為能量進(jìn)行計(jì)算，Xiao 等在研究中通過(guò)式(3)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

式中，是通過(guò)化學(xué)藥劑引入的能量；是污泥投加量；和分別是NaOH 和HCl 的消耗量；和分別是NaOH 和HCl的價(jià)格；是工業(yè)用電價(jià)格。

3.1.2 能量輸出計(jì)算

在厭氧消化體系中，甲烷是典型的能量輸出產(chǎn)物。而不論采用何種預(yù)處理方式，厭氧消化過(guò)程中累計(jì)產(chǎn)生的甲烷是能量產(chǎn)出的主要來(lái)源。這部分能量是甲烷的低位發(fā)熱量、產(chǎn)生的甲烷體積和能量轉(zhuǎn)化效率的乘積，見(jiàn)式(4)。

由于和都是常數(shù)，分別為35.832MJ/m和90%，因此厭氧消化系統(tǒng)輸出的能量?jī)H由參數(shù)決定，事實(shí)上預(yù)處理所帶來(lái)的額外能量輸出就是甲烷增加量。

3.1.3 凈能量計(jì)算

能量輸入與輸出之間的差值即為凈能量，見(jiàn)式(5)。

3.2 不同類(lèi)型預(yù)處理方法的凈能量

在以往的研究中，凈能量計(jì)算一般會(huì)提出假設(shè)：①污泥的比熱容和密度均與水相似，分別為：= 4.18 × 10MJ/(kg·℃)，= 1 × 10kg/m；②環(huán)境溫度為恒定值，一般為25℃；③厭氧消化反應(yīng)器有壁面熱損失，傳熱系數(shù)為常數(shù)，通常假設(shè)為1W/(m·℃)；④堿性預(yù)處理過(guò)程中回收能量的百分比通常為80%～90%；⑤NaOH 的價(jià)格、工業(yè)電價(jià)均為常數(shù)。

3.2.1 熱預(yù)處理的凈能量

通過(guò)式(6)計(jì)算熱預(yù)處理的厭氧消化體系的能量輸入。

式中，是熱預(yù)處理產(chǎn)生的能耗；是假設(shè)的污泥密度；是用于厭氧消化的污泥總量；是假設(shè)的污泥比熱容；是經(jīng)過(guò)熱水解后污泥所達(dá)到的溫度；是環(huán)境溫度；是能量回收效率；是厭氧消化所需的溫度；是反應(yīng)器壁面的傳熱系數(shù)；是反應(yīng)器壁面的表面積；是厭氧消化過(guò)程中有效甲烷產(chǎn)生時(shí)間。

對(duì)上式進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析后可以發(fā)現(xiàn)，能量輸入由三部分組成：①熱預(yù)處理產(chǎn)生的能耗[(-)]；②污泥從初始溫度達(dá)到厭氧消化溫度所需的熱量[(-)]；③厭氧消化過(guò)程中的壁面散熱損失[86.4(-)]。綜合3.1 節(jié)的論述，舍去壁面散熱損失，帶入假設(shè)的參數(shù)后，可以將式(6)改編為式(7)。

式中，、、均為常數(shù)?？梢?jiàn)，熱預(yù)處理的凈能量?jī)H由兩個(gè)參數(shù)確定：加熱溫度和生產(chǎn)的甲烷體積。綜合多篇文獻(xiàn)的計(jì)算結(jié)果，對(duì)加熱溫度范圍從60℃到210℃的熱預(yù)處理的凈能量進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 熱預(yù)處理的甲烷產(chǎn)量和凈能量

在低溫段（60～120℃），甲烷產(chǎn)量會(huì)隨著溫度升高而升高，80℃是甲烷產(chǎn)量隨溫度變化曲線(xiàn)斜率上的拐點(diǎn)，盡管數(shù)值上依然提升，但其增量并不大。不同的是，凈能量隨溫度變化曲線(xiàn)斜率的拐點(diǎn)出現(xiàn)在100℃附近，當(dāng)溫度超過(guò)這個(gè)點(diǎn)，凈能量會(huì)迅速降低。若僅從甲烷增產(chǎn)出發(fā)，120℃顯然能夠獲得最高的甲烷產(chǎn)量，但是聯(lián)合凈能量指標(biāo)來(lái)考慮，120℃付出了高于100℃近3倍的能量損失，卻僅獲得了不足5%的甲烷產(chǎn)值，顯然是缺乏經(jīng)濟(jì)性的。在高溫段（120～190℃），甲烷產(chǎn)量隨預(yù)處理溫度升高表現(xiàn)出先升高再降低的趨勢(shì)，曲線(xiàn)的極值點(diǎn)出現(xiàn)在150℃附近，而凈能量隨著預(yù)處理溫度升高逐漸降低，并且均為負(fù)值，其曲線(xiàn)斜率逐漸增大。此時(shí)不論從甲烷生產(chǎn)還是能量平衡的角度，150℃均為最優(yōu)的選擇。在整個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)（60～210℃），對(duì)污泥的熱預(yù)處理可以顯著提高厭氧消化的甲烷產(chǎn)量，與低溫段相比，高溫段預(yù)處理在甲烷生成方面更加有效，但是過(guò)高的預(yù)處理溫度（＞190℃）會(huì)抑制甲烷的產(chǎn)生。而凈能量曲線(xiàn)表現(xiàn)為0以下單調(diào)的減函數(shù)，說(shuō)明熱預(yù)處理帶來(lái)的甲烷產(chǎn)量增加沒(méi)有抵消其能量輸入。

盡管熱預(yù)處理的凈能量大多表現(xiàn)為負(fù)值，但實(shí)際應(yīng)用中上可通過(guò)回收熱量提高凈能量的數(shù)值。Lu 等的研究表明，污泥從加熱到冷卻的過(guò)程中，其85%的熱量可通過(guò)熱交換器回收，后續(xù)的研究大多支持了這個(gè)觀點(diǎn)。熱量的回收利用能夠顯著提高熱預(yù)處理的凈能量，使其表現(xiàn)為正值。Liu等對(duì)比了熱預(yù)處理過(guò)程中不同污泥停留時(shí)間（SRT）回收與不回收熱量所產(chǎn)生的凈能量，結(jié)果如表2所示。另外，他們還定義了凈能量為0時(shí)厭氧消化熱預(yù)處理的甲烷產(chǎn)量稱(chēng)為最低甲烷產(chǎn)量，超過(guò)該產(chǎn)量時(shí)凈能量為正，否則為負(fù)。其結(jié)果表明，如果按照85%的回收熱量，那么最低甲烷產(chǎn)量在0.16～0.43，如果不回收熱量，則最低甲烷產(chǎn)量在0.46～1.75。因此，通過(guò)熱量的回收利用可以提高熱預(yù)處理的凈能量。

表2 熱預(yù)處理過(guò)程中回收與不回收熱量所產(chǎn)生的凈能量[77]

此外，提升預(yù)處理溫度會(huì)產(chǎn)生更高的能量成本，降低預(yù)處理-厭氧消化在經(jīng)濟(jì)上的收益。Kavitha等對(duì)熱預(yù)處理進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同熱預(yù)處理溫度下的甲烷產(chǎn)量和凈利潤(rùn)[80]

熱預(yù)處理產(chǎn)生的凈利潤(rùn)隨著加熱溫度的升高而下降，但整體上熱預(yù)處理的能源投資能夠獲得盈利，這個(gè)結(jié)果與Cano 等對(duì)預(yù)處理經(jīng)濟(jì)可行性的評(píng)估是一致的。理論上如果將熱預(yù)處理生產(chǎn)的沼氣完全用于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行（熱電聯(lián)產(chǎn)），則可能實(shí)現(xiàn)能源自足。因此，有研究也將熱預(yù)處理視為最具潛力的預(yù)處理方法。

3.2.2 堿預(yù)處理的凈能量

根據(jù)以往的研究，可以通過(guò)式(8)計(jì)算堿預(yù)處理過(guò)程中的能量輸入。

式中，是堿性預(yù)處理時(shí)的能量輸入；是NaOH轉(zhuǎn)化的能量；是污泥的密度；是污泥的投加量；是污泥的比熱容；是污泥進(jìn)行堿預(yù)處理所達(dá)到的溫度；是環(huán)境溫度；是厭氧消化時(shí)所需的溫度；是堿預(yù)處理過(guò)程中熱量回收的百分比。

由此可見(jiàn)：堿預(yù)處理-厭氧消化體系的能量輸入由三部分組成，分別是：①加入堿性藥品（NaOH）后產(chǎn)生的熱量[(-)]；②堿性藥品轉(zhuǎn)化的能量（）；③污泥達(dá)到厭氧消化所需溫度時(shí)產(chǎn)生的熱量[(-)]?？梢?jiàn)，在特定的厭氧消化溫度時(shí)，堿預(yù)處理引入的能量只與污泥投加量和化學(xué)堿藥劑（NaOH）消耗量有關(guān)。與能量輸出進(jìn)行聯(lián)立，可以將式(8)改編為式(9)。

式中，、、均為常數(shù)。堿預(yù)處理的凈能量?jī)H取決于NaOH 消耗量和甲烷產(chǎn)量。通常，堿預(yù)處理的能耗要求不高。有研究計(jì)算了堿預(yù)處理體系下污泥厭氧消化產(chǎn)生的能耗情況，預(yù)處理能耗為-5.771kJ/g VS，厭氧消化的能量輸出為11.225kJ/g VS，在計(jì)算了消化過(guò)程中污泥的泵送、耗電、運(yùn)輸、脫水等一系列能量后，最終的凈能量為4.226kJ/g VS，可以認(rèn)為污泥堿預(yù)處理的甲烷產(chǎn)值可以抵消其能耗。

堿預(yù)處理的低能耗在厭氧消化微藻時(shí)也得到證實(shí)。Cho 等在對(duì)微藻的研究中計(jì)算了堿預(yù)處理的厭氧消化體系凈能量結(jié)果。研究發(fā)現(xiàn)，堿預(yù)處理能夠產(chǎn)生少量的正凈能量，如圖4所示。

圖4 堿預(yù)處理的甲烷產(chǎn)量和凈能量[76]

pH 在9～13 區(qū)間時(shí)，堿性越高，甲烷產(chǎn)量越低，這是因?yàn)檫^(guò)高的pH 抑制了厭氧微生物生命活動(dòng)。從凈能量來(lái)看，堿預(yù)處理能夠產(chǎn)生正凈能量，但是絕對(duì)值很小，并隨著堿度的提高凈能量逐漸降低。文獻(xiàn)指出了未經(jīng)預(yù)處理的污泥凈能量為11.9kJ/g VSS，與弱堿預(yù)處理的凈能量相似，但在強(qiáng)堿（pH=13）環(huán)境下，預(yù)處理的凈能量低于未經(jīng)預(yù)處理的初始污泥。

3.2.3 超聲、微波預(yù)處理的凈能量

根據(jù)以往研究中的計(jì)算方法，超聲、微波預(yù)處理的凈能量可以通過(guò)式(10)計(jì)算。

式中，表示設(shè)備的功率；表示預(yù)處理時(shí)間；表示所投加污泥的濃度；表示污泥的有效體積。

超聲、微波是典型的機(jī)械預(yù)處理方法，通常具有較高的能耗。Houtmeyers 等在研究中對(duì)兩種機(jī)械預(yù)處理進(jìn)行能量平衡分析，如圖5 所示，超聲、微波預(yù)處理能夠有效實(shí)現(xiàn)甲烷增產(chǎn)。能量評(píng)估表明，額外甲烷產(chǎn)量含有的能量（超聲、微波分別為11.4kW·h、8.6kW·h）明顯低于預(yù)處理的額外能耗（超聲、微波均為26.7kW·h），兩種方式的凈能量均為負(fù)值。其他研究也證實(shí)了這一點(diǎn)，Akgul 等將輸入、輸出能量統(tǒng)一為電能，并計(jì)算了7d、14d、20d SRT 的凈電能產(chǎn)量，結(jié)果表明：這兩種預(yù)處理體系生產(chǎn)的額外甲烷不足以補(bǔ)償預(yù)處理所需的能量輸入。

圖5 超聲、微波預(yù)處理的能量平衡[93]

超聲在污泥中傳播會(huì)受到污泥種類(lèi)和濃度的影響，因此除超聲預(yù)處理時(shí)間外，污泥的種類(lèi)和濃度也是凈能量的重要影響因素。Pillui 等研究了超聲預(yù)處理對(duì)不同種類(lèi)（初沉池污泥、二沉池污泥、混合污泥）和濃度（20g/L、30g/L、40g/L）的污泥的作用效果，并計(jì)算了凈能量，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同類(lèi)型污泥在不同濃度下的凈能量[95] 單位：kJ·kg-1 TS

結(jié)果顯示：三種不同類(lèi)型的污泥超聲預(yù)處理都表現(xiàn)出高于未經(jīng)預(yù)處理污泥的負(fù)凈能量，但其在數(shù)值上差異較大。不同濃度影響下，30g/L 是一個(gè)相對(duì)最優(yōu)的濃度，其凈能量上表現(xiàn)為正值，且超過(guò)了未經(jīng)預(yù)處理的污泥。而在20g/L 時(shí)，超聲預(yù)處理后的三種污泥均表現(xiàn)出較大的負(fù)凈能量。在不同污泥類(lèi)型中，初沉池的污泥凈能量最低，而二沉池污泥的凈能量最高。因此，超聲預(yù)處理30g/L 的二沉池污泥在能量方面最優(yōu)，其凈能量表現(xiàn)為正值。對(duì)另外兩種污泥類(lèi)型而言，三種濃度下超聲預(yù)處理都會(huì)造成厭氧消化體系的能量損失，與未經(jīng)預(yù)處理的污泥相比，凈能量的損失會(huì)高出1.95～8.00倍。

經(jīng)濟(jì)可行性研究顯示，超聲的時(shí)間決定了超聲預(yù)處理凈利潤(rùn)的高低。以往的研究表明，消耗電能的預(yù)處理方法很難實(shí)現(xiàn)能源經(jīng)濟(jì)上的盈利。表5的結(jié)果顯示，凈利潤(rùn)隨超聲預(yù)處理時(shí)間呈現(xiàn)出負(fù)值。?ahinkaya等的研究也證明了這一點(diǎn)，結(jié)果顯示：超聲預(yù)處理會(huì)使每噸污泥造成1.42USD的經(jīng)濟(jì)損失，由于超聲的高能耗要求，其在經(jīng)濟(jì)上的可行性較低。因此，在保證一定甲烷產(chǎn)量的情況下盡可能縮短超聲時(shí)間是必要的。

表5 超聲預(yù)處理的甲烷產(chǎn)量和凈利潤(rùn)[91]

3.3 聯(lián)合預(yù)處理的能量平衡分析

將兩種或者多種預(yù)處理方法進(jìn)行聯(lián)合是預(yù)處理技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，常見(jiàn)的三種聯(lián)合預(yù)處理形式分別為熱堿聯(lián)合預(yù)處理、熱超聲聯(lián)合預(yù)處理、熱堿超聲聯(lián)合預(yù)處理。

能源和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)能夠用以評(píng)估不同的預(yù)處理?xiàng)l件，從而獲取優(yōu)化方案。圖6為熱超聲聯(lián)合預(yù)處理甲烷生產(chǎn)和凈利潤(rùn)的研究結(jié)果。整體而言，在相同的預(yù)處理溫度條件下，超聲能量密度與甲烷產(chǎn)量沒(méi)有表現(xiàn)出明確的相關(guān)性。但是，隨著超聲能量密度的增加，凈利潤(rùn)逐漸降低。在相同的超聲能量密度條件下比較不同的預(yù)處理溫度也可以得到相同的結(jié)論。因此，對(duì)于熱超聲聯(lián)合預(yù)處理，提高預(yù)處理強(qiáng)度不一定使甲烷增產(chǎn)，降低預(yù)處理強(qiáng)度反而會(huì)產(chǎn)生更好的協(xié)同效應(yīng)，并且能夠提高凈利潤(rùn)。而比較甲烷產(chǎn)量較高的兩個(gè)點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)，最高點(diǎn)出現(xiàn)在90℃熱預(yù)處理溫度與10000kJ/kg 超聲能量密度時(shí)（甲烷產(chǎn)量為424mL），但此時(shí)預(yù)處理帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失最高（-112USD）；而50℃熱預(yù)處理溫度與5000kJ/kg 超聲的甲烷產(chǎn)量為420mL，略低于最高值，但經(jīng)濟(jì)損失為90℃、10000kJ/kg 時(shí)的1/6。若僅從甲烷產(chǎn)量角度出發(fā)，應(yīng)該選擇最高的超聲強(qiáng)度和加熱溫度，但綜合凈利潤(rùn)指標(biāo)而言，50℃加熱溫度與5000kJ/kg的超聲強(qiáng)度會(huì)帶來(lái)更好的效益。

圖6 熱超聲聯(lián)合預(yù)處理的甲烷產(chǎn)量和凈能量[98]

能源和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)能夠用以評(píng)估不同的預(yù)處理類(lèi)型。由于甲烷的能量輸出與其產(chǎn)量呈線(xiàn)性相關(guān)，因此圖7中輸出甲烷的能量可以代表甲烷產(chǎn)值。如圖中所示，三種預(yù)處理方式在甲烷生產(chǎn)和凈能量方面表現(xiàn)出相同的趨勢(shì)。對(duì)于甲烷產(chǎn)量，熱堿預(yù)處理明顯高于初始污泥和熱預(yù)處理污泥。對(duì)于凈能量，熱堿預(yù)處理表現(xiàn)出較高的正值并且遠(yuǎn)高于未經(jīng)預(yù)處理的初始污泥。這表明熱與堿聯(lián)合預(yù)處理污泥產(chǎn)生了較好的協(xié)同效應(yīng)且沒(méi)有產(chǎn)生強(qiáng)烈的抑制影響。由于堿預(yù)處理本身的能耗較低且能夠代替一部分熱能的作用效果，使得熱與堿兩種低能耗的組合極具潛力。此外，不同的堿試劑也會(huì)造成凈利潤(rùn)的差異，Kavitha 等對(duì)比了不同種類(lèi)的堿試劑與熱預(yù)處理聯(lián)合在經(jīng)濟(jì)上的表現(xiàn)，NaOH的凈利潤(rùn)最高（42.6USD），KOH 居中（20.6USD），而Ca(OH)的凈利潤(rùn)最低（4USD）。

圖7 熱和熱堿聯(lián)合預(yù)處理[99]

如圖8所示，熱和熱堿聯(lián)合預(yù)處理的凈能量和凈利潤(rùn)表現(xiàn)出高度的一致性，但與甲烷產(chǎn)量的趨勢(shì)有明顯不同。熱、堿、超聲三種預(yù)處理方法的聯(lián)合在甲烷生產(chǎn)方面具有優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也具有較高的能量成本。污泥COD在20%～50%區(qū)間內(nèi)，凈能量以及凈利潤(rùn)均為負(fù)值，并隨著污泥濃度的升高表現(xiàn)出先升高后下降的趨勢(shì)，極點(diǎn)出現(xiàn)在30%～35%。當(dāng)COD 超過(guò)35%，凈能量和凈利潤(rùn)會(huì)明顯下降。如果僅從甲烷產(chǎn)量的角度而言，提高污泥濃度有利于厭氧消化過(guò)程，但是從能源和經(jīng)濟(jì)可行性角度而言，過(guò)高的有機(jī)負(fù)荷會(huì)導(dǎo)致更大的能量和經(jīng)濟(jì)損失。因此，應(yīng)該從甲烷產(chǎn)量和能源經(jīng)濟(jì)角度綜合選擇恰當(dāng)?shù)奈勰酀舛取?/p>

圖8 熱和熱堿聯(lián)合預(yù)處理[96]

綜上所述，厭氧消化體系的能量輸入大部分來(lái)源于預(yù)處理的能耗，而能量輸出與甲烷產(chǎn)量具有明確的線(xiàn)性關(guān)系，凈能量指標(biāo)能將預(yù)處理方式及其強(qiáng)度與甲烷產(chǎn)量之間建立關(guān)聯(lián)，而凈利潤(rùn)能夠進(jìn)一步判定預(yù)處理在經(jīng)濟(jì)上的可行性。具體而言：熱預(yù)處理帶來(lái)的甲烷增量未能抵消其能量的輸入，預(yù)處理溫度越高，其凈能量越低，但熱預(yù)處理在能量回收方面具有更重要的意義；堿預(yù)處理能耗相對(duì)較低，但受制于微生物對(duì)pH 的敏感性，故堿預(yù)處理的甲烷產(chǎn)量和凈能量會(huì)隨pH 升高而下降；超聲預(yù)處理的凈能量遠(yuǎn)低于熱預(yù)處理及堿預(yù)處理，且延長(zhǎng)超聲時(shí)間和增加能量密度均可造成能量損失，但選擇恰當(dāng)?shù)奈勰酀舛饶軌蚴蛊鋬裟芰繛檎?，同時(shí)短暫的超聲時(shí)間能產(chǎn)生正凈利潤(rùn)；在聯(lián)合預(yù)處理中超聲聯(lián)合預(yù)處理的能源經(jīng)濟(jì)可行性較低，而通過(guò)回收熱量的熱預(yù)處理與低能耗的堿預(yù)處理聯(lián)合在能源經(jīng)濟(jì)性方面具有較大的潛力。

4 結(jié)語(yǔ)

預(yù)處理通過(guò)消耗電能、熱能或化學(xué)能來(lái)提高厭氧消化效率，從而獲得更高的甲烷產(chǎn)量。以往的研究中通常以SCOD、VS降解率、甲烷產(chǎn)量等指標(biāo)評(píng)價(jià)厭氧消化預(yù)處理的性能，而忽略了其在能源和經(jīng)濟(jì)上的可行性。由于預(yù)處理過(guò)程中抑制因子的存在，SCOD 的升高與甲烷產(chǎn)量之間缺乏相關(guān)性。另外，甲烷產(chǎn)量增加被視為評(píng)估預(yù)處理的關(guān)鍵指標(biāo)，但僅將最大化甲烷產(chǎn)量作為選擇預(yù)處理方法和反應(yīng)條件的標(biāo)準(zhǔn)會(huì)造成額外的能量和經(jīng)濟(jì)損失。

本文總結(jié)了厭氧消化體系中各種能量的計(jì)算方法，對(duì)比了典型的熱預(yù)處理、堿預(yù)處理、超聲預(yù)處理及其聯(lián)合處理分別在甲烷產(chǎn)量、凈能量和凈利潤(rùn)等指標(biāo)上的研究結(jié)果，并在污泥厭氧消化效率評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上分析了上述預(yù)處理方法在能源和經(jīng)濟(jì)層面的可行性。主要結(jié)論如下。

（1）凈能量及凈利潤(rùn)可用于評(píng)價(jià)污泥“預(yù)處理-厭氧消化”體系的性能及可行性，是對(duì)以往評(píng)價(jià)指標(biāo)的補(bǔ)充和完善，對(duì)預(yù)處理類(lèi)型的選擇和預(yù)處理?xiàng)l件的優(yōu)化具有現(xiàn)實(shí)意義。

（2）熱預(yù)處理的凈能量多為負(fù)值，可通過(guò)熱能的回收利用提升凈利潤(rùn)水平。

（3）堿預(yù)處理的凈能量多為正值，與可回收熱進(jìn)行聯(lián)合預(yù)處理具有較大潛力。

（4）超聲預(yù)處理凈能量多為負(fù)值，可通過(guò)調(diào)整污泥類(lèi)型及濃度，縮短處理時(shí)間及降低功率來(lái)減少凈能量損失，提升凈利潤(rùn)水平。