| FESE | 最新研究：高含固污泥厌氧消化的成果与展望 |
论文标题：High-solid anaerobic digestion of sewage sludge: achievements and perspectives (高含固污泥厌氧消化的成果与展望)
期刊：Frontiers of Environmental Science & Engineering
作者：Ying Xu, Hui Gong, Xiaohu Dai
发表时间： 13 Nov 2020
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编者荐语：
《前沿》系列之《环境科学与工程前沿》最新研究
原文信息
题目：
作者：
Ying Xu1, Hui Gong1, Xiaohu Dai()1,2
作者单位：
1 State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse, School of Environmental Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China
2 Shanghai Institute of Pollution Control and Ecological Security, Shanghai 200092, China
关键词：
高含固效应，厌氧发酵，甲烷产量，生物可降解性，污泥处理
High-solid effect, Anaerobic fermentation, Methane production, Biodegradability, Sludge treatment
文章亮点
• 概述了高含固污泥厌氧消化的研究进展。
• 揭示了影响高含固污泥厌氧消化工艺性能和工艺稳定性的主要因素。
• 识别了当前高含固污泥厌氧消化的研究空白和高含固效应。
• 提出了解决高含固污泥厌氧消化研究空白和效率的未来努力方向。
文章简介
在过去的几十年里，高含固厌氧消化曾被广泛应用于处理有机废弃物，如农业废弃物、城市有机废弃物和餐厨垃圾等。然而，由于差的工艺性能和工艺稳定性，高含固厌氧消化处理污水厂污泥由于其过程调控机制不明，发展受限。为此，开展了大量的研究来克服相应的限制，提升高含固厌氧消化的稳定性和效率。本文综合分析了影响高含固污泥厌氧消化工艺性能和稳定性的主要因素-高含固效应；总结了提升工艺性能和稳定性的主要方法，例如，高含固污泥预处理和高含固污泥与其它有机废弃物的厌氧共消化。本文还讨论了水热预处理前后高含固污泥厌氧消化体系中有机物的迁移转化特点，揭示了污泥高含固效应主要来自于能够抑制厌氧微生物活性的高浓度物质，该效应同时又造成了污泥差的传质、低的扩散系数和高的粘度，识别了高含固污泥厌氧消化的研究空白。通过对当前相关研究的总结，本文提出了将来的研究应统一高含固污泥的定义，揭示在高含固污泥系统中污染物的迁移转化规律、描绘靶向污染物在高含固污泥系统中的代谢途径和构建准确的高含固污泥厌氧消化数学模型。此外，开发绿色的污泥脱水药剂、从高含固污泥体系中获取高附加值产品，并揭示它们对于高含固污泥厌氧消化的影响也应该在将来的研究中得到重视。
随着全球人口增长和城市发展，城市污水量急剧增加。随之而来的城市污水处理过程中的污泥产量也持续增加。截至2019年年底，中国的污泥产量已经超过了5000万吨/年，预测这一数据在5年内会增长到6500万吨/年。由于污泥中含有大量的有毒、有害、易腐污染物，如不妥善处理将对环境和人类健康造成极大损害。厌氧消化因其能对污泥进行无害化处理的同时回收资源，包括减少污泥量、杀死病原微生物并且回收生物能源-甲烷，成为一种备受青睐的污泥处理技术。通常以总固体含量15%（质量比）为界限来区分高含固厌氧消化系统（总固体含量大于15%）和低含固厌氧消化系统（总固体含量小于15%）。由于中国的低含固污泥含有较低有机质（挥发性固体占总固体量低于50%），低含固污泥厌氧消化系统在小型污水处理厂不具有普遍可行性，截至2019年，我国5200个污水处理厂中仅有70个采用了低含固污泥厌氧消化系统，其中，只有不到20个能正常运行。这与管理落后、经济水平制约、规划不足、以及污泥中低的挥发性固体占总固体比例有关。与低含固污泥厌氧消化系统相比，高含固污泥厌氧消化系统凭借其较小的反应器体积、低的补温能耗、少的污水产量、高的单位容积沼气产量，被认为可能是一种更可行的方法。截至2020年6月，在“ScienceDirect”里开展以“高含固厌氧消化”和“高含固污泥厌氧消化”为主题的文献计量研究发现，在近15年里，有关“高含固厌氧消化”的文献两倍多于“高含固污泥厌氧消化”，这表明目前大多数高含固厌氧消化系统主要用于非污泥有机废弃物。此外，在2006到2020年间，对于“高含固污泥厌氧消化”的文献均以实验研究进行开展，缺少文献综述；故本文对高含固污泥厌氧消化进行全面综述，总结当前的研究进展，找出研究空白，并探究提升高含固污泥厌氧消化的未来研究方向。总体而言，影响高含固污泥厌氧消化的主要因素有：固体含量、搅动、固体停留时间、温度、pH值、氨/铵胁迫、挥发性脂肪酸、有毒有害物质、流变性质等等。针对目前存在的几项研究空白：高含固污泥的定义不规范，高含固污泥厌氧消化中污染物的迁移和转化不明确，高含固污泥厌氧消化中有机物的代谢途径尚不清楚，高含固污泥厌氧消化的数学模型不足等；未来需要重点针对以上几点内容进行探索，以提升高含固污泥厌氧消化效率。此外，需要进一步探讨污泥脱水剂对于高含固污泥厌氧消化的影响效果。
摘要
High-solid anaerobic digestion (HS-AD) has been applied extensively during the last few decades for treating various organic wastes, such as agricultural wastes, organic fractions of municipal solid wastes, and kitchen wastes. However, the application of HS-AD to the processing of sewage sludge (SS) remains limited, which is largely attributable to its poor process stability and performance. Extensive research has been conducted to attempt to surmount these limitations. In this review, the main factors affecting process stability and performance in the HS-AD of SS are comprehensively reviewed, and the improved methods in current use, such as HS sludge pre-treatment and anaerobic co-digestion with other organic wastes, are summarised. Besides, this paper also discusses the characteristics of substance transformation in the HS-AD of SS with and without thermal pre-treatment. Research has shown that the HS effect is due to the presence of high concentrations of substances that may inhibit the function of anaerobic microorganisms, and that it also results in poor mass transfer, a low diffusion coefficient, and high viscosity. Finally, knowledge gaps in the current research on HS-AD of SS are identified. Based on these, it proposes that future efforts should be devoted to standardising the definition of HS sludge, revealing the law of migration and transformation of pollutants, describing the metabolic pathways by which specific substances are degraded, and establishing accurate mathematical models. Moreover, developing green sludge dewatering agents, obtaining high value-added products, and revealing effects of the above two on HS-AD of SS can also be considered in future.
编者点评
随着我国经济发展，污染排放总量高，土壤环境受到显著影响。为了实现“青山绿水”的美丽中国，国务院依次印发了 “大气十条”、 “水十条”和“土十条”，建设生态文明的小康社会，为人民享受新鲜空气、洁净水和健康的土壤提供保障。我国污水处理规模世界第一，但是污水处理过程产生的大量污泥，由于其具有多介质复杂特征及“污染和资源”双重属性，存在传统技术效率及稳定性低的难题，处理不当将带来环境二次污染且浪费大量资源，是我国污水处理的短板。目前常用的处理污泥的方法主要包括：厌氧消化、好氧发酵、污泥干化-焚烧、高干脱水-填埋/建材利用等，其中高含固厌氧消化是一种成本较低，效率高且回收生物能源的有效方法，具有可以大幅度降解易腐有机物质、杀灭病原微生物、提高污泥脱水能力等优点，特别是在目前碳达峰、碳中和的背景下，污泥厌氧消化技术回收生物质能，作为污泥处理的关键环节具有很大的发展空间。本文综述了近几年有关高含固污泥厌氧消化处理研究进展，分析了影响高含固污泥厌氧消化的主要因素，识别了高含固污泥厌氧消化的知识差距，并提出了提升高含固污泥厌氧消化的未来研究方向。本文对于我国污水厂节能减排、污泥处理与资源回收利用有十分重要的理论和指导意义。
本期编辑
王新锋，男，32岁，中国农业大学博士，研究方向为污水处理与资源化利用。
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