污泥水熱碳化工藝水制甲烷

污泥水熱碳化工藝水制甲烷;水熱碳化法處理污泥綜述

水熱碳化（HTC）是一種有前途的污泥減量化和相關產品增值技術。然而HTC工藝會產生大量工藝水，許多研究集中在HTC工藝水（通常也被稱為HTC液）的特性上，而對其利用和價值化的研究很少。據該文作者所知，到目前為止，還沒有系統地綜述用AD法從污泥中提取HTC工藝水的研究進展，本文對HTC工藝水厭氧消化的研究現狀進行了深入的探討，強調了HTC和AD操作參數的重要性，以及它們各自的優缺點可能的限制。此外，還對HTC今后的研究方向進行了展望。HTC工藝水的表征HTC工藝水含有高濃度的有機物，如總有機碳（TOC）、化學需氧量（COD）和生物需氧量（BOD5）濃度，以及相對豐富的土壤養分（N、P、K）。下表分別總結了文獻關于污泥和生物質HTC工藝水的主要發現。一般而言，HTC工藝水的化學成分受原料性質、HTC反應器的原料負荷和HTC工藝條件的顯著影響。在原料負荷方面，脫水/干燥系統可顯著提高原料中的總固體含量。HTC工藝條件顯著影響HTC工藝水中的碳含量。從污泥中提取的HTC工藝水的特點是其營養成分含量高于其他生物質的HTC工藝水。有研究報道，隨著HTC溫度的升高，總可溶性磷和氮濃度升高，而活性磷濃度則下降，這可能是由于沉淀反應所致。在HTC過程中，磷傾向于以固相形式沉淀，這種趨勢取決于碳化溫度。由于存在VFAs ，HTC工藝用水通常具有輕微的酸性pH。然而，pH值主要取決于處理后的原料和HTC的工作溫度。通常，來自初級和廢活性污泥的HTC工藝水的pH值低于6。處理污泥時，HTC處理溫度和處理時間越高，處理水中pH值越低。HTC工藝水厭氧消化的價值及其挑戰HTC工藝水有機物含量高（10-64 g COD/L），允許通過厭氧消化過程實現價值化。對于農業剩余物，一些生物材料進行HTC處理然后產生HTC工藝水，這些水被用于能源增值。研究結果表明HTC工藝水具有良好的生物降解性。AD是一個復雜的微生物系統將有機化合物在沒有氧氣的情況下轉化成沼氣的一種生物轉化過程，沼氣主要由甲烷和二氧化碳組成。這個過程中無機化合物的轉化也可發生，例如，硫酸鹽可轉化為硫。AD的表現取決于復雜微生物群落的協調活動。如圖1所示，AD的基質轉化主要由4個連續階段組成：根據Metcal和Eddy的研究，AD工藝受進料pH值、堿度、溫度和有機酸含量的影響很大。HTC工藝水中的乳酸、乙酸和甘油可能對發酵過程產生負面影響。此外，當HTC工藝水通過AD處理時，還需要確定重金屬、農藥、VFAs、氨、美拉德化合物和有毒烴的含量。（1）AD抑制劑pH值：pH值是控制AD過程的基礎，因為它直接影響到酶的活性。一般來說，當pH值保持中性時，AD是穩定的；pH值在5.5~8.0。由于來自污泥的HTC工藝水的呈輕微酸性， AD廢水進行稀釋循環利用已成功應用，提供了最佳的緩沖和循環養分。VFAs和堿度：HTC工藝用水的初始VFAs濃度較高（2.0–6.0 g/L），且隨著HTC反應溫度和時間的降低/減少而增加。HTC工藝水中的總VFAs濃度越高，將該液體注入AD后獲得的甲烷產量越高。通常，AD的穩定性指標用總VFAs與總堿度的比值（TVFA/TA比值）來表示，TVFA/TA比值可以解釋為酸緩沖比。在穩定的沼氣廠中，其值應保持在0.4以下，以防止過度酸化。游離氯：AD過程中的游離氨在低濃度下作為細菌生長的基質，有助于系統的緩沖能力，而高濃度（15-30 mg NH3-N/L）時導致高pH值，并作為且會抑制厭氧微生物活動。FA與其離子形式（NH4+-N）處于化學平衡狀態，其濃度可根據pH值、溫度和總銨態氮計算。堿性pH和高溫有利于FA的形成。蛋白質含量較高的消化液中過量的FA會抑制AD。大量營養元素：與其他生物過程類似，最佳的微生物活性和AD效果需要保持一定的大量和微量營養元素。在HTC工藝水中，磷的溶解比例隨溫度的升高而降低，因此在高于220℃的溫度下由于磷沉淀可能會出現大量營養素缺乏的情況。由于HTC工藝水缺乏大量營養素，特別是磷和硫，而不是氮，運行數周后AD效率下降。相反，在接下來的研究中，Wirth等人表明，AD過程中HTC藝水的N、S和P是充足的。重金屬：與其他化合物不同，重金屬是不可生物降解的，并隨著時間的積累而積累，直到達到毒性濃度。重金屬毒性與大量酶的失活有關。有毒有機化合物：HTC工藝水可能含有有毒的有機化合物。苯酚是一種廢水污染物，低濃度就有水生生物的環境風險，并且可能影響飲用水的味道和產生氣味問題；重要的是，由于其毒性，苯酚在AD過程中比較頑固。可以推測，HTC工藝用水在接種微生物后可以進行厭氧處理。AD過程的其他直接抑制劑是抗生素和殺蟲劑，它們存在于工業廢水和制藥廢水以及城市污泥中。（2）AD接種物要使AD穩定，需要足夠的養分，VFAs濃度的堿度含量函數和發育良好的、能夠生物降解酚類和其他有機微污染物的微生物群落。馴化后的微生物群落能夠提高HTC工藝水對抑制性化合物的耐受性。（3）AD反應器研究工作中使用的不同反應器類型，主要是HTC工藝水的AD反應器。主要采用兩種AD反應器結構：連續攪拌槽反應器（CSTR）和厭氧濾池（AF）。在整個試驗期間，當處理來自玉米青貯的HTC工藝用水時，AF更加穩定，因為有研究表明AF中消化液的VFAs水平顯著降低和穩定的pH值。而AF的產氣量穩定性稍低，這可能是因為固定化的微生物和污泥組成。AF已成功應用于處理HTC工藝用水和污泥中的HTC冷凝水。考慮到現有文獻的不足，目前還無法說明哪個是最佳的AD反應器結構和相關的操作條件。（4）AD溫度溫度影響生物過程的動力學。從生化的角度來看，人們普遍認為溫度會影響反應速率，溫度的嚴重波動會抑制微生物活性，也會影響微生物產量和飽和濃度，以及反應自由能引起的反應途徑和病原體活性。溫度還直接影響組分的物理和化學性質，如氣體溶解度、熱膨脹產生的體積氣體量、氣體轉移速率、水蒸氣比例、酸堿常數和液體粘度。研究表明消化溫度的升高會對處理效果產生負面影響。總體而言，中溫條件應用最多。（5）AD的有機負荷率OLR是AD過程的一個關鍵操作參數：超載可導致VFAs積聚，從而抑制產甲烷過程。OLR也是所選技術的功能參數：高速厭氧消化器，如AF，其OLR可達20 gCOD/(L·d)，而其他反應器，如CSTR的OLR可達10 gCOD/(L·d)。能源評估有研究將HTC應用于污泥，以評估集成AD-HTC系統的生物能源生產。通過對文獻分析，可以推斷出較低的HTC溫度和較短的處理時間會促進HTC工藝水產生沼氣，而較高的HTC溫度和較長的處理時間會促進污泥碳化，增加污泥的熱值和脫水性。為了將HTC工藝與污泥管理結合起來，必須在沼氣和氫化碳的生產、氫化碳脫水性和能源消耗之間找到折衷方案。由于HTC工藝可用于處理初級污泥、活性污泥和厭氧消化液，因此可以在污水處理廠中多種工藝過程加以應用。經濟評估本文分析了HTC工藝與AD工藝不同組合的許多工程，如初級或二級污泥的HTC分離產生的氫化碳和利用AD對HTC工藝水進行處理，提出了提高污泥處理經濟性的污水處理方案。在圖2中，提出了傳統污泥線和新方案的比較。以傳統的污泥線（圖2A）計算，意大利北部的污泥（歐洲的污泥的干物質含量一般為20-25%）最終處置成本約為每噸污泥80-100歐元。在圖2B中，提出了一條新的污泥處理線：在AD之后，消化液在脫水至干物質含量大約為20%，然后在190℃下HTC處理1小時。然后對HTC泥漿進行脫水，由此產生的氫化碳可達到干物質含量的70%，體積減少3至4倍。整個HTC過程所需的熱能和電能（綜合以下脫水步驟）分別以每噸污泥100和15 kWh估算。即使將污泥中的氫化碳視為待處理的廢物，HTC處理也能顯著降低污水污泥管理和處理所涉及的成本。另外，如果地方立法允許氫化碳燃燒，其熱能回收以維持HTC過程。本文對HTC工藝水經AD處理后的經濟能量分析進行了綜述，進一步提高了整個工藝的經濟性：將工藝水回用到厭氧消化器中，可提高甲烷的產量，這可以進一步維持HTC工藝的熱能需求，顯著降低了其運行成本。結論污泥HTC具有巨大的潛力，可以成為污泥管理和生產多種有價值產品的可持續轉化工藝。然而，污泥HTC產生的液體代表了該工藝的凈產出，在處置之前，必須對其進行適當的管理、處理和可能的評估。在這篇綜述中，作者分析了利用AD對HTC工藝水的價值化，這是一個很有前景的方式，可以通過沼氣燃燒來維持HTC的熱能需求，同時減少HTC工藝水處理對環境的影響。AD過程中的微生物可以在一定程度上適應苯酚或其他有毒有機化合物，但需要進一步研究HTC酒中的微生物群落。HTC工藝溫度、停留時間、初始原料特性、營養鹽濃度、接種馴化及其緩沖能力是影響HTC工藝水通過AD處理實現價值化的主要影響因素。營養元素的缺乏、高濃度的有毒化合物和高OLR的存在可導致AD過程的抑制。為了既能生產氫化炭，又能通過AD處理HTC液，HTC溫度和處理時間不應高于180-200 ℃和長于15-30分鐘，因為較高的溫度和較長的處理時間會導致不可生物降解和/或有毒化合物的形成。此外，人們不得不在熱效率和處理污泥的固體含量之間找到平衡，因為即使TS含量高于15-25%的污泥可以使得HTC-AD系統的達到較好的能量平衡，但是過度濃縮的污泥會導致HTC溶液中的氨濃度過高，從而抑制AD過程。為了全面地實施污水處理廠中的HTC過程，需要進一步研究HTC工藝水對AD穩定運行的影響，還要要考慮新興污染物的命運和頑固、有毒化合物的長期影響，因為這些化合物可能在整個系統中積聚。