摘要：總結(jié)了目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于污泥能源化利用方面的研究進(jìn)展，包括污泥制氫、污泥制油、污泥制沼氣、污泥制合成燃料、微生物燃料電池發(fā)電等，并對(duì)污泥處置方法未來(lái)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

　　關(guān)鍵詞：污泥;能源化;進(jìn)展

　　近年來(lái)我國(guó)城鎮(zhèn)化水平的不斷提高，污泥的產(chǎn)量也大幅度增加，有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年我國(guó)市政污泥年產(chǎn)量將達(dá)到6000萬(wàn)~9000萬(wàn)t。由于污泥中含有病原微生物、寄生蟲(chóng)、重金屬等有害物質(zhì)[1]，若處置不合理將會(huì)對(duì)地下水、土壤等造成污染，嚴(yán)重危害到人類健康[2]，所以污泥的處置方式已成為行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。焚燒、填海、填埋、土地利用是污泥傳統(tǒng)的處置方式。污泥焚燒技術(shù)比較復(fù)雜，容易污染環(huán)境;污泥填海會(huì)破壞水體環(huán)境，該方法已經(jīng)被禁止;填埋法需要大面積的土地資源且可能會(huì)使地下水受到污染;土地利用雖然投資少、能耗低、運(yùn)行費(fèi)用低，但由于污泥中還含有大量重金屬、多氯聯(lián)苯等污染物，可能會(huì)使土壤和水體受到污染，進(jìn)而影響人類健康。

　　能源方向評(píng)職知識(shí)：能源研究課題已立項(xiàng)課題

　　因此，應(yīng)在實(shí)現(xiàn)污泥“減量化、穩(wěn)定化、無(wú)害化”的前提下，盡可能地對(duì)污泥進(jìn)行能源化利用，實(shí)現(xiàn)把污泥變?yōu)槟茉矗�這不僅可以保護(hù)環(huán)境，還可以緩解未來(lái)能源匱乏。污泥的能源化利用主要是指通過(guò)物理、生物、熱化學(xué)的方法把污泥轉(zhuǎn)化為能源產(chǎn)品，目前的能源化利用技術(shù)主要包括以下幾個(gè)方面：污泥制氫、發(fā)酵制沼氣、熱解制油、制合成燃料、污泥發(fā)電等。

　　本文中介紹了近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)外關(guān)于污泥能源化利用的進(jìn)展，為污泥的能源化利用提供一定的借鑒。污泥制氫1.1厭氧發(fā)酵生物制氫氫氣作為一種清潔能源，具有較高的熱值，具有很大的發(fā)展?jié)摿Α�厭氧生物制氫是指在微生物的作用下，將污泥中有機(jī)化合物轉(zhuǎn)化為氫氣。

　　整個(gè)過(guò)程清潔環(huán)保，是制氫技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。劉常青等[3]采用SARD和CSTR反應(yīng)器并輔以血清瓶，以污泥和餐廚垃圾作為反應(yīng)基質(zhì)，考察不同運(yùn)行時(shí)間、投配比下的氫氣濃度，結(jié)果表明，SARD和CSTR反應(yīng)器在10~15h內(nèi)先后達(dá)到了50.34%和53.43%的氫氣濃度最大值。

　　陳鑫[4]主要研究了培養(yǎng)過(guò)程中底物和環(huán)境因素對(duì)混合菌群NG07的生長(zhǎng)及產(chǎn)氫特性的影響，實(shí)驗(yàn)研究表明，混合菌群NG07可利用多種糖類有機(jī)化合物產(chǎn)氫，其中葡萄糖為碳源時(shí)，產(chǎn)氫總量最大，隨著葡萄糖濃度的增加，混合菌群NG07的產(chǎn)氫總量逐漸增大，當(dāng)葡萄糖濃度為100mmol/L時(shí)，產(chǎn)氫總量為4238.8±74mL/L。Miriam等[5]研究了污泥和酒糟在不同混合比例下協(xié)同發(fā)酵以提高產(chǎn)氫量。結(jié)果表明，酒糟的添加可以提高污泥發(fā)酵過(guò)程的產(chǎn)氫量。添加酒糟后氫氣產(chǎn)率是單發(fā)酵污泥所獲得的產(chǎn)率的13~14倍。厭氧發(fā)酵生物制氫耗能較少，但是氫氣的轉(zhuǎn)化率不高，產(chǎn)量較少。針對(duì)這些問(wèn)題，很多研究者在優(yōu)化發(fā)酵工藝、混菌馴化等方面尋找方法。

　　1.2污泥超臨界水制氫

　　污泥超臨界水制氫是指在水的溫度和壓力均高于其臨界溫度(374.3℃)和臨界壓力(22.05MPa)時(shí)，利用超臨界水作為反應(yīng)介質(zhì)來(lái)溶解污泥中的有機(jī)物使其發(fā)生強(qiáng)烈化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氫氣。曾佳楠[6]分析AlCl3對(duì)脫水污泥超臨界水氣化產(chǎn)氫的影響來(lái)探討AlCl3的催化機(jī)理，結(jié)果表明，AlCl3可以顯著促進(jìn)脫水污泥超臨界水氣化產(chǎn)氫，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%添加量下氫氣產(chǎn)率達(dá)到11.52mol/kg，比不添加提高了近43倍。Hantoko等[7]研究了溫度(380~460℃)、污泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)(5%~30%)和活性炭添加量(2%~8%)對(duì)超臨界水氣化的影響。

　　結(jié)果表明，溫度越高，污泥濃度越低，合成氣產(chǎn)率越高，產(chǎn)氫率越高。蔣華義等[8]利用均勻設(shè)計(jì)方法研究超臨界水的反應(yīng)溫度、反應(yīng)壓力、反應(yīng)時(shí)間和物料比與最終單位污泥產(chǎn)氫量之間的關(guān)系，并通過(guò)反應(yīng)結(jié)果擬合出它們之間的經(jīng)驗(yàn)公式，分析超臨界水反應(yīng)參數(shù)對(duì)含油污泥氣化制氫影響規(guī)律。結(jié)果表明，單位污泥產(chǎn)氫量與反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間呈正相關(guān)，與物料比呈負(fù)相關(guān)，伴隨壓力的增加單位污泥產(chǎn)氫量先增加后減小，在反應(yīng)參數(shù)為544℃、2.2MPa、150min、10%下，單位污泥產(chǎn)氫量最高為5.92mmol/g。

　　1.3污泥高溫氣化制氫

　　污泥高溫氣化制氫指通過(guò)熱化學(xué)方式將污泥轉(zhuǎn)化為高品位的氣體燃?xì)饣蚝铣蓺猓�然后分離出氫氣。何丕文等[9]采用固定床氣化裝置，在溫度為900℃條件下進(jìn)行污泥水蒸汽氣化試驗(yàn)，研究了水蒸汽和污泥中碳元素質(zhì)量比(S/C)對(duì)污泥氣化氫氣產(chǎn)率、氣體能源轉(zhuǎn)化率的影響。結(jié)果表明，污泥水蒸汽氣化在氫氣產(chǎn)率、氣體能源轉(zhuǎn)化率方面都顯著優(yōu)于污泥熱解，污泥水蒸汽氣化在S/C值為2.72時(shí)，氫氣產(chǎn)率、氣體能源轉(zhuǎn)化率達(dá)到峰值，分別為0.32m3/kg、0.83。Nipattummakul等[10]對(duì)污泥樣品進(jìn)行氣化，以確定合成氣特性的演化行為和產(chǎn)生的合成氣的其他性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)蒸汽作為氣化劑，產(chǎn)氫量比空氣氣化提高了3倍。

　　王歡[11]采用管式高溫電熱爐和水蒸汽發(fā)生器及其他附件構(gòu)成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研究了單批進(jìn)料量、反應(yīng)停留時(shí)間、升溫方式對(duì)熱解產(chǎn)物及氣態(tài)組分的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，反應(yīng)終溫為1000℃條件下，單批進(jìn)料量為250g濕污泥時(shí)，該實(shí)驗(yàn)裝置可以在較短的時(shí)間內(nèi)得到較高品質(zhì)的富氫燃?xì)狻Ｎ勰喔邷貧饣�制氫和超臨界制氫法比厭氧發(fā)酵生物制氫法耗時(shí)更少，但反應(yīng)條件更苛刻，能耗更高，實(shí)際應(yīng)用價(jià)值不高，而且高溫氣化過(guò)程產(chǎn)生的尾氣較難處理。厭氧發(fā)酵生物制氫耗能少、更環(huán)保，更有發(fā)展前景。

　　2污泥制油

　　2.1污泥低溫?zé)峤庵朴?/p>

　　污泥低溫?zé)峤庵朴褪抢�用污泥中有機(jī)物在300～500℃的無(wú)氧或缺氧條件下發(fā)生部分熱裂解，最終產(chǎn)物為油、碳、非冷凝氣體和反應(yīng)水。

　　污泥低溫?zé)峤庵朴褪且粋�(gè)很復(fù)雜的過(guò)程，溫度、含水率、催化劑、停留時(shí)間等都是影響污泥熱解的重要因素。Viera等[12]將污泥放在固定床反應(yīng)器中進(jìn)行熱解過(guò)程，以生產(chǎn)生物油，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)生物油的平均產(chǎn)量為10.52%～18.38%(m/m)，生物油的分析顯示pH為8.35，密度為0.97g/cm3，發(fā)熱量為32.36MJ/kg。Supaporn等[13]采用微管反應(yīng)器熱解污泥生產(chǎn)生物油，其產(chǎn)量隨反應(yīng)溫度和時(shí)間的增加而增加。在390℃下熱解5min，生物油產(chǎn)率最高為33.3%。

　　Chen等[14]研究了不同的關(guān)鍵參數(shù)對(duì)使用Taguchi方法生產(chǎn)熱解油的污泥熱解過(guò)程的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在450℃的熱解溫度、60min的停留時(shí)間、10℃的操作條件下，可獲得的最大熱解油產(chǎn)率為10.19%，影響污泥熱解油產(chǎn)率的參數(shù)的敏感度順序?yàn)榈獨(dú)饬髁俊�熱解溫度、加熱速率和停留時(shí)間。李娜等[15]研究城市污泥與不同生物質(zhì)(花生殼、玉米稈、玉米芯、稻草)共熱解后焦油含量變化，發(fā)現(xiàn)焦油含量均增加，其中污泥-玉米稈熱解產(chǎn)生的焦油含量最高，為4.59%。

　　2.2污泥液化制油

　　污泥直接液化制油是指污泥先生成水溶性中間體，在水中反復(fù)聚合、水解、脫氫、環(huán)化等一系列反應(yīng)轉(zhuǎn)化為低分子油狀物的過(guò)程。污泥直接液化制油是在水中進(jìn)行的，所以污泥無(wú)需干燥，很適合高含水率污泥。國(guó)內(nèi)的污泥制油領(lǐng)域直接熱化學(xué)液化法的研究較少，王學(xué)生等[16]主要考察反應(yīng)溫度、停留時(shí)間、污泥添加量及催化劑對(duì)產(chǎn)油率的影響。

　　研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)反應(yīng)溫度290℃，停留時(shí)間60min，污泥與乙醇的固液比為1/20時(shí)產(chǎn)油率最高，且加入氫氧化鈉時(shí)產(chǎn)油率可提升至45.5%。Zhou等[17]考察了溫度、停留時(shí)間和催化劑對(duì)污泥的熱化學(xué)直接液化產(chǎn)油的影響，結(jié)果取得了令人滿意的生物油產(chǎn)率，當(dāng)溫度為250℃，N為催化劑，停留時(shí)間為70min時(shí)，產(chǎn)油率最高為25.4%，固體體積減少了90%。因?yàn)槲勰嗟蜏責(zé)峤庵朴瓦\(yùn)行條件容易實(shí)現(xiàn)，處理效果好，所以低溫?zé)峤庵朴褪悄壳皯?yīng)用較多的制油方法，而污泥直接液化制油因需要高溫高壓，對(duì)儀器設(shè)備要求高，還容易造成大氣污染。

　　3污泥制沼氣

　　污泥制沼氣是污泥能源化的研究熱點(diǎn)之一，污泥制沼氣是指在厭氧條件下，由兼性菌和厭氧菌將污泥中的有機(jī)物降解生成甲烷為主的混合氣的過(guò)程，污泥制沼氣歷史較長(zhǎng)，技術(shù)相對(duì)很成熟，目前國(guó)內(nèi)外研究主要通過(guò)改進(jìn)預(yù)處理技術(shù)和增添某些物質(zhì)來(lái)提升沼氣產(chǎn)量和品質(zhì)。

　　Yang等[18]研究了玉米秸稈和油泥厭氧共消化的可行性，發(fā)現(xiàn)當(dāng)玉米秸稈與油泥的質(zhì)量比為4∶1時(shí)，產(chǎn)氣性能最佳，使用30mL接種量的氣體累積產(chǎn)量為1222.5mL。Nabi等[19]為了探究均質(zhì)化高壓預(yù)處理促進(jìn)污泥厭氧消化的機(jī)理，對(duì)污泥施加了不同的均質(zhì)壓力，并分別對(duì)固液2組分進(jìn)行了消化，實(shí)驗(yàn)表明，甲烷主要產(chǎn)自固體餾分，甲烷產(chǎn)率隨預(yù)處理壓力的增加而增加。

　　在40MPa壓力下，污泥(不經(jīng)固液分離消化)的沼氣和甲烷產(chǎn)率分別比固液兩組分(單獨(dú)消化)之和高17%和45%。陳智遠(yuǎn)等[20]探討了城市污泥恒溫38℃厭氧濕發(fā)酵(質(zhì)量分?jǐn)?shù)10.49%)和高濃度發(fā)酵(質(zhì)量分?jǐn)?shù)15.52%)的產(chǎn)氣潛力，研究表明，城市好氧泥在恒溫38℃進(jìn)行濕發(fā)酵和高濃度發(fā)酵，好氧泥的TS產(chǎn)沼氣潛力分別為155.67、163.70mL/g。

　　一些學(xué)者還研究了通過(guò)添加某些試劑來(lái)提高污泥產(chǎn)沼量。張雅慧[21]通過(guò)向厭氧污泥中分別投加外源介體四氧化三鐵(Fe3O4)、三氧化二鐵(Fe2O3)、納米零價(jià)鐵(ZVI)、粉末活性炭(PAC)、碳納米管(CNT)、石墨烯(GR)，探究外源介體強(qiáng)化厭氧消化過(guò)程的機(jī)理，實(shí)驗(yàn)顯示投加Fe3O4、CNT的實(shí)驗(yàn)組相較于對(duì)照組，甲烷的產(chǎn)量有明顯的提升，由5.3、5.33mL上升到6.55、6.35mL，產(chǎn)量提高了25.8%、18.7%。污泥制沼氣技術(shù)成熟，但在制沼氣的過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生H2S，導(dǎo)致二次污染。

　　微生物燃料電池發(fā)電微生物燃料電池產(chǎn)電是利用微生物的代謝過(guò)程將污泥中的有機(jī)物所蘊(yùn)含的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，應(yīng)用潛力巨大。邢延等[25]探究不同聲能密度預(yù)處理對(duì)污泥微生物燃料電池(MFC)產(chǎn)電性能的影響，結(jié)果表明，隨著預(yù)處理超聲密度的增加，微生物燃料電池的產(chǎn)電性能和污泥處理效果得到有效提升。與未經(jīng)預(yù)處理的污泥MFC相比，預(yù)處理聲能密度為1.5W/mL時(shí)，微生物燃料電池穩(wěn)定輸出電壓提高90.19%，最大輸出功率密度提高135.43%，污泥減量效果提升68.8%。Xiao等[26]采用堿處理污泥，MFC產(chǎn)電周期可達(dá)17d，最大處輸出電壓可達(dá)520mV，最大功率密度為55.8mW/m2。

　　操家順等[27]研究不同方式預(yù)處理污泥對(duì)微生物燃料電池的影響，研究顯示，將廢堿渣預(yù)處理的污泥作為MFC的底物，不僅降低了資源能耗而且提高了MFC的產(chǎn)電性能，實(shí)現(xiàn)了綜合綠色發(fā)展。微生物燃料電池發(fā)電既能將污泥回收利用，又能發(fā)電形成清潔新能源，可同時(shí)解決污泥處置和能源匱乏問(wèn)題，且運(yùn)行條件溫和易控，發(fā)展?jié)摿�巨大。在能源領(lǐng)域，污泥微生物燃料電池今后的研究重點(diǎn)是如何提高其產(chǎn)電性能。

　　結(jié)論與展望

　　隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，污泥處置方法也越來(lái)越豐富，無(wú)論什么處置方法，都一定要遵循“減量化、穩(wěn)定化、無(wú)害化”的前提。同時(shí)，能源匱乏問(wèn)題也困擾著全世界，所以，污泥的能源化利用前景非常廣闊，既能解決污泥處置問(wèn)題，還能解決能源匱乏問(wèn)題，但目前污泥能源化技術(shù)不夠成熟，設(shè)備不夠完善。因此，應(yīng)該繼續(xù)研究相關(guān)技術(shù)，創(chuàng)新改進(jìn)設(shè)備、拓展利用途徑，因地制宜實(shí)現(xiàn)污泥的能源化利用。

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　　作者：王杰1，熊祖鴻2*，石明巖1*