近年來(lái)隨著城市化進(jìn)程的加速和城市人口的大量增長(zhǎng)，城市生活污水排放量和城市污水廠負(fù)荷也隨之不斷增加。2014年，我國(guó)的城鎮(zhèn)污水處理能力已經(jīng)達(dá)到 1.57億m 3/d，較2013年新增約800萬(wàn)m3/d。活性污泥法是我國(guó)常見(jiàn)的污水處理方式，由此導(dǎo)致大量的污泥產(chǎn)生，預(yù)計(jì)到2020年我國(guó)污泥年產(chǎn)量將突破6 000萬(wàn)t。傳統(tǒng)的市政污泥處理處置方式主要是衛(wèi)生填埋、焚燒和土地利用等。隨著國(guó)家有關(guān)食品安全、農(nóng)業(yè)及污泥處置規(guī)范中對(duì)生物固體在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)及環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，污泥的傳統(tǒng)處理處置方式受到了限制，因此污泥的資源環(huán)境問(wèn)題日益突顯。 
  污泥中有機(jī)物含量較高，可以生產(chǎn)沼氣、生物燃料(氫氣、合成氣、生物柴油等 )等一系列能源物質(zhì)，因此對(duì)污泥中能源物質(zhì)的回收利用引起了人們的關(guān)注。為此，本文綜述當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)污泥中能源物質(zhì)回收利用的現(xiàn)狀，探討有關(guān)特點(diǎn)和問(wèn)題，并試圖展望未來(lái)的發(fā)展方向。 
  1、污泥中能源物質(zhì)的性質(zhì)和特點(diǎn) 
  污水廠污泥是一類(lèi)含有微生物，未消化的有機(jī)物如紙、植物殘?jiān)�、油、排泄物等，無(wú)機(jī)物及水分的復(fù)雜的非均質(zhì)混合物。通過(guò)分析污泥的物理化學(xué)性質(zhì)，可以更有針對(duì)性地對(duì)其有用組分進(jìn)行回收利用。污泥中的有機(jī)成分是能源利用關(guān)注的重點(diǎn)。表1列出了未經(jīng)處理和經(jīng)消化后的污泥的物質(zhì)組成。 

  由表1可見(jiàn)，污泥的熱值較高，能夠進(jìn)行熱能利用產(chǎn)能，但同時(shí)需注意污泥中有毒有害物質(zhì)的二次污染問(wèn)題。 
  2、污泥中能源組分的回收利用 
  2.1 污泥消化產(chǎn)沼氣 
  污泥厭氧消化技術(shù)應(yīng)用較為廣泛，但常規(guī)厭氧消化工藝存在污泥降解率低，停留時(shí)間長(zhǎng)及沼氣產(chǎn)氣率低等問(wèn)題，且其處理的污泥含固率通常較低(3%~5%)，需要設(shè)備體積大，增加了資金投入。針對(duì)以上問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者一方面通過(guò)改善污泥厭氧消化性能，提升沼氣產(chǎn)率，同時(shí)針對(duì)高含固率污泥厭氧消化技術(shù)開(kāi)展了各類(lèi)應(yīng)用型研究。 
  Zhang等將豬糞與脫水的污泥以2：1進(jìn)行混合厭氧消化使甲烷的產(chǎn)率提升了 82.4%。另外有實(shí)驗(yàn)研究表明污泥與廚余垃圾混合處理可在一定程度上改善厭氧消化性能，提升沼氣產(chǎn)氣率。污泥中微生物細(xì)胞壁的水解過(guò)程是厭氧消化的限速階段，通過(guò)對(duì)污泥進(jìn)行預(yù)處理可以破壞微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)，提升厭氧消化速率。 xie等的研究表明經(jīng)超聲處理后污泥消化的產(chǎn)氣量得到提高。另外，污泥經(jīng)熱水解超聲聯(lián)合預(yù)處理后厭氧消化產(chǎn)氣性能相較于單獨(dú)熱水解及單獨(dú)超聲預(yù)處理均得到了明顯的提升。 
  高含固率污泥厭氧消化工藝因具有產(chǎn)氣效率高、處理負(fù)荷高、設(shè)備體積小、投資低等優(yōu)勢(shì)成為近期研究熱點(diǎn)。吳靜等研究了熱水解(70℃)一高溫厭氧消化工藝處理高含固率(8%～9%) 剩余污泥(中試)的效果 ，該工藝有機(jī)物去除率及甲烷產(chǎn)率與傳統(tǒng)污泥厭氧消化工程相當(dāng)。通過(guò)優(yōu)化高含固率污泥厭氧消化工藝條件參數(shù)(C/N、接種量、攪拌頻率等)，或?qū)ξ勰噙M(jìn)行熱堿預(yù)處理等均可得到較高的產(chǎn)氣量和較好的消化效果。當(dāng)前我國(guó)需在工程設(shè)計(jì)與運(yùn)行方面對(duì)高固污泥消化進(jìn)行充分研究，以實(shí)現(xiàn)其工業(yè)化應(yīng)用。 
  2 .2 污泥轉(zhuǎn)化為生物燃料 
  2.2.1 由污泥生產(chǎn)氫氣 
  污泥制氫采用的方法有生物法 (生物發(fā)酵 )和熱化學(xué)法。生物發(fā)酵制氫技術(shù)的研究主要集中于對(duì)各類(lèi)預(yù)處理方法、發(fā)酵影響因素的探索及污泥與有機(jī)廢棄物混合發(fā)酵制氫。通過(guò)對(duì)污泥進(jìn)行預(yù)處理，既能篩選產(chǎn)氫菌，又能破碎污泥細(xì)胞，提高有機(jī)物的可利用性，增加產(chǎn)氫量。Kim等研究了不同預(yù)處理方法對(duì)消化污泥單獨(dú)制氫及污泥與食物殘?jiān)�混合制氫的效果的影響。利用城市有機(jī)固體廢棄物與污泥共同發(fā)酵也能得到較高的氫產(chǎn)量。當(dāng)前的研究大部分基于間歇培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，而連續(xù)產(chǎn)氫是實(shí)現(xiàn)污泥生物發(fā)酵制氫工業(yè)化的基礎(chǔ)。M assanet— N icolau等在一個(gè)連續(xù)進(jìn)料生物反應(yīng)器中將水力停留時(shí)間控制為24 h，實(shí)現(xiàn)了3 d連續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)氫。如何提升污泥連續(xù)產(chǎn)氫能力及產(chǎn)氫穩(wěn)定性是今后污泥生物制氫研究的關(guān)鍵問(wèn)題。 
  污泥熱化學(xué)法制 氫包括熱解、氣化等。研究表明污泥含濕量越大，溫度越高，越有利于氫氣的生成。超臨界水(SCW )因具有極強(qiáng)的氧化力和融合力等特性被用于污泥的氣化產(chǎn)氫研究中。超臨界水氣化 (SCWG )不僅能獲得較高的轉(zhuǎn)化率，且對(duì)于含水率較高的底物無(wú)需進(jìn)行干燥。 xu 等的實(shí)驗(yàn)表明水分含量76.2～ 94.4wt%的污泥能夠在超臨界水中直接氣化。表2總結(jié)了部分研究者們利用污泥在超(亞)臨界水中進(jìn)行氣化產(chǎn)氫的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

  比較SCWG法與厭氧消化法處理初沉污泥發(fā)現(xiàn)前者運(yùn)行過(guò)程所需輸人的能量大于后者。通常當(dāng)污泥固體濃度高15%時(shí)，進(jìn)行SCWG制氫的工業(yè)應(yīng)用才具有實(shí)際意義。SCWG制氫是一種很有發(fā)展前景的污泥能源化技術(shù)，但現(xiàn)階段仍需加強(qiáng)試驗(yàn)研究，優(yōu)化反應(yīng)條件，研制高效催化劑，提高產(chǎn)氫效率的同時(shí)降低運(yùn)行能耗。 
  2.2-2 由污泥生產(chǎn)合成氣 
  合成氣是H與CO的混合氣體。合成氣不僅可以作為能源氣體產(chǎn)熱發(fā)電，還能作為原料進(jìn)一步合成醇、醚、烴類(lèi)等化工產(chǎn)品。制備合成氣的傳統(tǒng)方法為以傳導(dǎo)加熱方式為主的熱裂解技術(shù)，但通常存在熱效率低，合成氣比例小等缺陷，因而可采用微波加熱法來(lái)提高熱解效率。微波能夠直接作用于分子或原子傳遞能量，可極大地降低傳熱阻力，具有穿透速率快，熱解效率高，耗時(shí)少，節(jié)省能源等優(yōu)點(diǎn)。Dominguez等利用微波加熱高溫?zé)峤馕勰啵�合成氣比例最大可達(dá)66%，高于傳統(tǒng)加熱熱解法。另外有實(shí)驗(yàn)研究表明在污泥中加入高吸波物質(zhì)如活性炭、碳化硅等可以提高污泥的加熱溫度和加熱效率，增加合成氣在氣體產(chǎn)物中的比例。 
  目前污泥熱解產(chǎn)合成氣的研究主要集中于增加合成氣比例及產(chǎn)氣量的工藝條件優(yōu)化上，而對(duì)污泥中含氮、含硫物質(zhì)的反應(yīng)轉(zhuǎn)化機(jī)制、釋放規(guī)律等研究則較少。熱解過(guò)程中含氮、含硫氣體的釋放不僅會(huì)降低合成氣的品質(zhì)，還會(huì)造成二次污染，因此對(duì)這些物質(zhì)的產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行分析并提出污染控制措施是今后的研究重點(diǎn)。 
  2.2.3 由污泥生產(chǎn)生物柴油 
  生產(chǎn)生物柴油的原料通常為植物油或動(dòng)物脂肪，植物油較為昂貴，僅原料成本就占生物柴油生產(chǎn)成本的7O%~85%t。 污泥數(shù)量多，來(lái)源廣，且含有較多的油脂，可作為制備生物柴油的原料。圖 1展示了由污泥制備生物柴油的一般流程。

  污泥制備生物柴油分一步法 (原位法 ) 和兩步法，一步法是由污泥直接進(jìn)行轉(zhuǎn)酯化，兩步法是用溶劑提取污泥中的油脂后再進(jìn)行轉(zhuǎn)酯化。Dufreche等發(fā)現(xiàn)原位法得到的生物柴油產(chǎn)率高于兩步法。白小娟的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明初沉污泥、二沉污泥和浮渣污泥經(jīng)兩步法得到的生物柴油產(chǎn)率均明顯低于原位酯基轉(zhuǎn)移法。這是由于污泥微生物細(xì)胞中含大量脂質(zhì)，提取劑很難將其提取出來(lái)，因此需要對(duì)污泥細(xì)胞進(jìn)行破壁處理。常用的破壁方式有菌株自溶法、超聲破碎法、高壓均漿破碎法、化學(xué)破碎法、微波破碎法、酶處理法、凍融法等。Mondala 等探究了影響原位法制備生物柴油產(chǎn)率的因素，得到產(chǎn)率最大化條件。表3對(duì)比了采用不同方法在不同條件下污泥制生物柴油的產(chǎn)率。

  目前關(guān)于污泥制生物柴油條件最優(yōu)化的研究較多，而對(duì)于如何增加污泥本身的油脂含量則關(guān)注較少。有研究表明通過(guò)對(duì)污泥進(jìn)行特定培養(yǎng)可以增加污泥脂質(zhì)含量，當(dāng)培養(yǎng)液中C/N 為 70：1 時(shí)生物柴油產(chǎn)率為原污泥的4.6 倍。另外，在污水中添加產(chǎn)油微生物也是今后污泥增脂研究關(guān)注的方向之—。 
  2 .3 微生物燃料電池(MFC )污泥產(chǎn)電 
  MFC技術(shù)的污泥利用方式分為污泥直接作底物產(chǎn)電和污泥預(yù)處理后產(chǎn)電兩種。 趙慶良、賈斌 、鄭蟯等直接以污泥為底物成功啟動(dòng)了微生物燃料電池，實(shí)現(xiàn)了污泥降解和同步產(chǎn)電。現(xiàn)階段的研究表明，直接利用污泥進(jìn)行MFC產(chǎn)電可得到400～700 mV 的電壓及40～250 mW/m或 3～30 W/m3的輸出功率密度。影響MFC產(chǎn)電性能的因素有離子添加劑的種類(lèi)及投加量、DH值、電池陽(yáng)極面積、陰陽(yáng)極間距、陰極材料、溶解性化學(xué)需氧量(SCOD) 等，通過(guò)對(duì)這些因素進(jìn)行探究可以提高M(jìn)FC的產(chǎn)電電壓及輸出功率密度。 
  污泥中的有機(jī)物大部分是細(xì)胞物質(zhì)，細(xì)胞壁阻擋了產(chǎn)電微生物對(duì)細(xì)胞內(nèi)部有機(jī)物的利用，限制MFC的產(chǎn)電效率，因此需對(duì)污泥進(jìn)行預(yù)處理，破壞細(xì)胞壁，提高溶解性有機(jī)質(zhì)的濃度。當(dāng)前研究中的預(yù)處理方式有微波處理、超聲波處理、表面活性劑處理、酶處理、加熱處理、堿處理等，與直接采用污泥作為燃料相比，其 MFC輸出功率密度均得到提高。表4對(duì)比了以污泥為燃料的各類(lèi)M FC的產(chǎn)電效果 。

  目前以污泥為燃料的MFC產(chǎn)電研究面臨的問(wèn)題有：(1)MFC的電壓及輸出功率密度太低，穩(wěn)定性不高;(2 ) 污泥降解率低，減量化效果有待提升;(3 )污泥中有害物質(zhì)轉(zhuǎn)化機(jī)制未明確; (4 ) 污泥進(jìn)行MFC產(chǎn)電后剩余物質(zhì)的處置問(wèn)題;(5 )制作MFC的陰極材料、膜材料和陰極催化劑較為昂貴，MFC 造價(jià)較高。 因此，今后需加強(qiáng)對(duì)污泥MFC產(chǎn)電特性及基質(zhì)變化的研究，尋找合適的污泥預(yù)處理方法提升污泥降解率，研制高效廉價(jià)的陰極材料及膜材料降低MFC成本。
  2.4 污泥協(xié)同焚燒
  將污泥脫水后焚燒處理既實(shí)現(xiàn)了污泥的減量化，同時(shí)還能以熱能或電能的形式進(jìn)行能源的回收利用，是目前應(yīng)用較多的污泥處置方式。 但污泥直接燃燒耗能大，設(shè)備復(fù)雜，且會(huì)產(chǎn)生粉塵、二嗯英、重金屬、酸性氣體等，對(duì)環(huán)境危害較大。因而當(dāng)前的研究多集中于污泥的協(xié)同焚燒處置，包括燃煤電廠污泥協(xié)同焚燒、水泥窯污泥協(xié)同焚燒和垃圾焚燒廠污泥協(xié)同焚燒等，其中又以水泥窯協(xié)同處置的研究 較多。
  水泥窯協(xié)同焚燒污泥具有有機(jī)物分解徹底、抑制二嗯英形成、不產(chǎn)生飛灰、固化重金屬等特點(diǎn)，同時(shí)污泥可以代替燃煤用于水泥熟料煅燒，實(shí)現(xiàn)對(duì)污泥熱值的有效利用。用污泥生產(chǎn)水泥可以降低14 %的生料用量， 同時(shí)減少約70 %的化石燃料消耗。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)污泥摻燒量、污泥摻燒對(duì)熟料及環(huán)境的影響等對(duì)水泥窯污泥協(xié)同焚燒開(kāi)展了廣泛的研究。張智等研究發(fā)現(xiàn)摻加污泥對(duì)水泥熟料的性能沒(méi)有產(chǎn)生影響。另外有研究表明當(dāng)污泥摻量在6 % ~12 %時(shí)都能得到合格熟料，且污泥的摻入對(duì)生料的易燒性起到了改善的作用。Rodrigue等發(fā)現(xiàn)污泥的加入降低了水泥中游離氧化鈣的含量。水泥窯協(xié)同焚燒污泥的環(huán)境影響主要包括污泥烘干時(shí)產(chǎn)生惡臭氣體，水泥生料促進(jìn)污泥和煤燃燒過(guò)程中燃料型NOx 的生成，高揮發(fā)金屬元素隨煙氣排出污染大氣等。今后的研究需重點(diǎn)關(guān)注污泥烘干廢氣及協(xié)同焚燒煙氣污染物的排放及控制。
  3、結(jié)語(yǔ)
  污泥的處理處置是當(dāng)前城市污水處理廠面臨的主要問(wèn)題之一，對(duì)污泥進(jìn)行能源化利用現(xiàn)已取得定的研究成果。污泥厭氧消化產(chǎn)沼氣已實(shí)現(xiàn)了工業(yè)應(yīng)用，但相對(duì)于國(guó)外成熟的工藝技術(shù)，我國(guó)仍需對(duì)厭氧消化工藝，尤其是高含固率污泥厭氧消化工藝的工程設(shè)計(jì)及運(yùn)行方面進(jìn)行深入研究。污泥生物發(fā)酵制氫耗能少，成本低，但目前對(duì)連續(xù)產(chǎn)氫的研究還未取得較好的成果。熱化學(xué)法污泥制氫轉(zhuǎn)化率較高 ，但設(shè)備體積大，能耗高，必須優(yōu)化熱解氣化條件，研制高效催化劑，提升氫產(chǎn)率的同時(shí)降低能耗。熱化學(xué)法制氫及合成氣需對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物進(jìn)行凈化，去除污染氣體。污泥制生物柴油和MFC污泥產(chǎn)電技術(shù)的研究尚處于起步階段，但二者的應(yīng)用前景極其廣闊。增加污泥脂質(zhì)含量，優(yōu)化油脂提取及轉(zhuǎn)酯化條件，提高生物柴油產(chǎn)量，降低成本是污泥制生物柴油的研究重點(diǎn)。MFC技術(shù)則需要通過(guò)對(duì)電池構(gòu)型、電極材料、膜材料、污泥預(yù)處理方法等進(jìn)行優(yōu)化來(lái)提升輸出電壓及輸出功率密度，并實(shí)現(xiàn)電能的穩(wěn)定輸出，以滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用需求。另外，兩者都存在污泥后續(xù)處置問(wèn)題。水泥窯協(xié)同焚燒污泥發(fā)展?jié)摿�巨大，但�?duì)煙氣污染物的排放及控制研究仍需加強(qiáng)。