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预处理 |提高污泥降解和强化厌氧消化的策略
污泥处置和管理是目前全球性的棘手问题。污泥含有众多有毒有害物质，例如病原体、重金属和一些有机污染物等，这些物质不仅产生臭味，而且带来很多卫生隐患。如果不对污泥进行适当处理，将对环境和公众健康带来非常严重的影响。污水处理行业所面临的压力，除了出水标准日益严格之外，还有污泥问题。污泥处置的成本很高，一般占到污水厂总运行费用的50%。污水处理行业要实现可持续发展，需要运用经济可行的污泥处理技术来提高污水厂的运营效益。
目前代表性的应用技术包括填埋、堆肥、干化焚烧、厌氧消化、土地利用和循环回用作建筑材料。其中厌氧消化是极具前景的技术，将污泥中的化学能转化成生物沼气，作为化石燃料替代品，这能切切实实地降低污水厂的经营成本。
厌氧消化是一个多步反应组成的工艺技术，主要可分为水解、酸解(发酵)、产乙酸和产甲烷四大步。许多研究的结果都显示水解是反应速率限制的关键步骤所在，因为污泥中的复杂絮状结构(例如EPS胞外聚合物)和坚硬的细胞壁都导致反应停留时间的延长、有机固体降解率的降低和甲烷的低产率。为了加快水解速率和厌氧消化的整体效率，各种预处理技术应运而生。
▲ 厌氧消化的步骤分解示意图
最近，5位来自中国和日本的学者在Elsevier出版的期刊“Renewable and Sustainable Energy Reviews”上发表了一篇题为“Overview of pretreatment strategies for enhancing sewage sludge disintegration and subsequent anaerobic digestion: Current advances, full scale application and future perspectives”的综述文章，其中第一作者是任职上海华东师范大学的甄广印教授，通讯作者则为任职日本国立东北大学的李玉友教授。两位学者在厌氧微生物学、污水处理及废弃物处理和生物质资源利用等方面都有深入的科学研究，也取得了若干有重要理论意义和工程价值的成果。
这篇综述参考了208篇相关文献，介绍了各种预处理技术的基本原理、最近进展、技术潜力、最新的商业应用以及可能的价值利益，包括了物理、热学、化学、生物方法为原理的技术。
▲ 自2000年起厌氧消化的发表文章分析
联合国人居署的数据统计显示，目前美国是污水污泥产量第一大国，中国和日本次之，年产干固污泥量分别为650、300和200万吨。美国和日本的污泥处置率为94%和97%，其中在日本，超过一半的污泥都经处理作为建筑材料回用，12%经厌氧消化回收生物能。但是在中国的情况就比较堪忧，80%的污泥都没有得到妥善处置，即使是填埋的污泥也可能未按照卫生标准的60%含水率来处理，这给当地居民带来了很大的安全隐患。
▲ 中美日三国的污泥去向对比
污泥絮体是一种多相介质，主要由微生物聚合体、丝状菌、有机和无机颗粒物、EPS胞外聚合物和水组成。不同类型的污泥的具体组成有所不同。而EPS是污泥有机成分的主要构成物质。EPS的主要成分又分为蛋白质、多糖、核酸、胡敏酸和脂类物质。
污泥的复杂微结构和组成增加了水解的难度。这使得进行厌氧发酵之前，需要对污泥进行预处理，降低污泥生物降解的阻力。预处理的主要目的在于干扰EPS和细胞壁的结构，使得微生物能够更好地获得有机物和其他营养物质，从而加快有机物的转化和甲烷的生成。本文统计了以下几种预处理技术。由于篇幅较长，在这里不对每项具体技术的原理作重复介绍，只提及其作用效率以及工程应用的现状。
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污泥预处理应用技术总览 |
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机械预处理 |
超声波预处理 |
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微波预处理 |
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电动力降解 |
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高压均匀化(HPH) |
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热水解 |
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化学预处理 |
酸化和碱化预处理 |
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臭氧 |
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芬顿氧化 |
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亚铁活化过硫酸盐氧化 |
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生物预处理 |
温度分级厌氧消化(TFAD) |
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微生物电解池(MEC) |
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超声波预处理
超声波是一项已经很成熟的降解污泥的机械技术。据有关文献统计，目前超声波预处理有至少20个全尺寸工程应用和17个中试项目，大部分都在德国。这些设备对挥发性固体破坏度和生物沼气产量的改善百分比均在15-35%不等。
微波照射
跟超声波类似，微波照射也是很流行的加热技术，然而不同研究显示的微波照射处理效果差异较大甚至得到截然相反的结论。但微波照射对破坏病原体有较显著效果。综述中没有关于微波照射工程案例的统计数据。
电动力降解
电动力降解(Electrokinetic disintegration)，又名脉动电场(pulsed electric field)。是一种新近开发的预处理技术，而且已经有若干个全尺寸工程应用的数据。其中一个比较著名的设备供应商来自德国，并提供模块化安装。
高压均质化
高压均质机被形容为运行简单、投资小、能耗低的预处理技术。目前有来自加拿大和美国的工程应用数据参考。
▲ 四种机械预处理设备示意图
热水解也是一项很成熟并得到广泛应用的预处理技术。著名的商业应用品牌包括了CambiTHP和Biothelys。
▲ CambiTHP™(a) 和 Biothelys®(b)两种热水解工艺流程图对比
化学预处理就是通过使用强反应剂来破坏细胞壁和细胞膜，文献中使用过的反应剂包括了酸、碱和各种强氧化剂。
生物预处理有很多，文中只列举了酶水解、预消化，以及使用霉菌或生物表面活性剂。其中预消化，主要指温度分段厌氧消化（TPAD- temperature phased anaerobic digestion），在中温厌氧消化之前增加一个高温预处理单元。
MEC微生物电解池则是一种新兴的产甲烷技术，但因为诸多技术问题有待解决，目前还有实际的工程应用案例。
作者将4大类10个预处理技术进行了优缺点对比，还附上了工作原理、关键控制参数和商业应用技术，并特别提及了一些已经申请了专利的预处理技术，主要是前三类的技术，包括了CambiTHP™和Biothelys®(热水解)、Biosonator(超声波)、Aspal SLUDGE™、Praxair® Lyso™ (微波)、BioCrack(电动力降解)、MicroSludge™和Cellruptor(HPH)等。因为可能生物技术的研究还没完全透彻，所以作者找不到相关的商业应用案例和专利。作者指出，可规模化是生物预处理实现工业应用的关键所在。
除了预处理之外，作者指出污泥处理也有关注资源回收的问题，例如将沼渣后处理提取有附加值的副产品，例如通过化学沉淀回收的鸟粪石，或者高温热解生成高温碳(pyrochar)和活性炭。
作者还分析说，一项技术的可行性不仅依赖于污泥降解率和甲烷产量，还有它在能耗和环境的综合收益，例如它对后续工序的影响——脱水、运输和最终处置(填埋、焚烧、堆肥或者土地利用)，还有相应的温室气体的排放量(如下图)。作者承认要对这些技术进行对比并不容易。首先是标准化指标的缺乏，使得技术间的对比变得困难。第二有些技术混合使用是比较变得更加困难。第三是在实际操作中运行人员的操作水平、设备的维护频率和当地的土地价格、电价、人工等都很难统一。对于未来的研究，作者认为需要对预处理后的液体成分进行清晰鉴定，而且要建立一套更合理可靠的评判标准来对不同技术的经济效益进行评估对比。
▲ 污泥处理处置的完整流程图
厌氧消化在污泥预处理中是非常具有发展前景的技术。10月17日-20日，第15届IWA世界厌氧大会（15th IWA World Conference on Anaerobic Digestion）即将在北京举行。大会邀请了从事厌氧研究和应用的全球顶尖专家，将针对厌氧技术的创新研究，以及如何在污水/污泥处理中应用厌氧工艺实现取得更好的处理效果、实现资源和能源回收等话题开展深入的讨论。欢迎大家届时参会，更多会议信息，请访问大会官网。
http://www.ad15.org.cn/en
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