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論文標(biāo)題：High-solid anaerobic digestion of sewage sludge: achievements and perspectives (高含固污泥厭氧消化的成果與展望)
期刊：Frontiers of Environmental Science & Engineering
作者：Ying Xu, Hui Gong, Xiaohu Dai
發(fā)表時(shí)間： 13 Nov 2020
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編者薦語(yǔ)：
《前沿》系列之《環(huán)境科學(xué)與工程前沿》最新研究
原文信息
題目：
作者：
Ying Xu1, Hui Gong1, Xiaohu Dai()1,2
作者單位：
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
關(guān)鍵詞：
高含固效應(yīng)，厭氧發(fā)酵，甲烷產(chǎn)量，生物可降解性，污泥處理
High-solid effect, Anaerobic fermentation, Methane production, Biodegradability, Sludge treatment
文章亮點(diǎn)
• 概述了高含固污泥厭氧消化的研究進(jìn)展。
• 揭示了影響高含固污泥厭氧消化工藝性能和工藝穩(wěn)定性的主要因素。
• 識(shí)別了當(dāng)前高含固污泥厭氧消化的研究空白和高含固效應(yīng)。
• 提出了解決高含固污泥厭氧消化研究空白和效率的未來(lái)努力方向。
文章簡(jiǎn)介
在過(guò)去的幾十年里，高含固厭氧消化曾被廣泛應(yīng)用于處理有機(jī)廢棄物，如農(nóng)業(yè)廢棄物、城市有機(jī)廢棄物和餐廚垃圾等。然而，由于差的工藝性能和工藝穩(wěn)定性，高含固厭氧消化處理污水廠污泥由于其過(guò)程調(diào)控機(jī)制不明，發(fā)展受限。為此，開(kāi)展了大量的研究來(lái)克服相應(yīng)的限制，提升高含固厭氧消化的穩(wěn)定性和效率。本文綜合分析了影響高含固污泥厭氧消化工藝性能和穩(wěn)定性的主要因素-高含固效應(yīng)；總結(jié)了提升工藝性能和穩(wěn)定性的主要方法，例如，高含固污泥預(yù)處理和高含固污泥與其它有機(jī)廢棄物的厭氧共消化。本文還討論了水熱預(yù)處理前后高含固污泥厭氧消化體系中有機(jī)物的遷移轉(zhuǎn)化特點(diǎn)，揭示了污泥高含固效應(yīng)主要來(lái)自于能夠抑制厭氧微生物活性的高濃度物質(zhì)，該效應(yīng)同時(shí)又造成了污泥差的傳質(zhì)、低的擴(kuò)散系數(shù)和高的粘度，識(shí)別了高含固污泥厭氧消化的研究空白。通過(guò)對(duì)當(dāng)前相關(guān)研究的總結(jié)，本文提出了將來(lái)的研究應(yīng)統(tǒng)一高含固污泥的定義，揭示在高含固污泥系統(tǒng)中污染物的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律、描繪靶向污染物在高含固污泥系統(tǒng)中的代謝途徑和構(gòu)建準(zhǔn)確的高含固污泥厭氧消化數(shù)學(xué)模型。此外，開(kāi)發(fā)綠色的污泥脫水藥劑、從高含固污泥體系中獲取高附加值產(chǎn)品，并揭示它們對(duì)于高含固污泥厭氧消化的影響也應(yīng)該在將來(lái)的研究中得到重視。
隨著全球人口增長(zhǎng)和城市發(fā)展，城市污水量急劇增加。隨之而來(lái)的城市污水處理過(guò)程中的污泥產(chǎn)量也持續(xù)增加。截至2019年年底，中國(guó)的污泥產(chǎn)量已經(jīng)超過(guò)了5000萬(wàn)噸/年，預(yù)測(cè)這一數(shù)據(jù)在5年內(nèi)會(huì)增長(zhǎng)到6500萬(wàn)噸/年。由于污泥中含有大量的有毒、有害、易腐污染物，如不妥善處理將對(duì)環(huán)境和人類健康造成極大損害。厭氧消化因其能對(duì)污泥進(jìn)行無(wú)害化處理的同時(shí)回收資源，包括減少污泥量、殺死病原微生物并且回收生物能源-甲烷，成為一種備受青睞的污泥處理技術(shù)。通常以總固體含量15%（質(zhì)量比）為界限來(lái)區(qū)分高含固厭氧消化系統(tǒng)（總固體含量大于15%）和低含固厭氧消化系統(tǒng)（總固體含量小于15%）。由于中國(guó)的低含固污泥含有較低有機(jī)質(zhì)（揮發(fā)性固體占總固體量低于50%），低含固污泥厭氧消化系統(tǒng)在小型污水處理廠不具有普遍可行性，截至2019年，我國(guó)5200個(gè)污水處理廠中僅有70個(gè)采用了低含固污泥厭氧消化系統(tǒng)，其中，只有不到20個(gè)能正常運(yùn)行。這與管理落后、經(jīng)濟(jì)水平制約、規(guī)劃不足、以及污泥中低的揮發(fā)性固體占總固體比例有關(guān)。與低含固污泥厭氧消化系統(tǒng)相比，高含固污泥厭氧消化系統(tǒng)憑借其較小的反應(yīng)器體積、低的補(bǔ)溫能耗、少的污水產(chǎn)量、高的單位容積沼氣產(chǎn)量，被認(rèn)為可能是一種更可行的方法。截至2020年6月，在“ScienceDirect”里開(kāi)展以“高含固厭氧消化”和“高含固污泥厭氧消化”為主題的文獻(xiàn)計(jì)量研究發(fā)現(xiàn)，在近15年里，有關(guān)“高含固厭氧消化”的文獻(xiàn)兩倍多于“高含固污泥厭氧消化”，這表明目前大多數(shù)高含固厭氧消化系統(tǒng)主要用于非污泥有機(jī)廢棄物。此外，在2006到2020年間，對(duì)于“高含固污泥厭氧消化”的文獻(xiàn)均以實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行開(kāi)展，缺少文獻(xiàn)綜述；故本文對(duì)高含固污泥厭氧消化進(jìn)行全面綜述，總結(jié)當(dāng)前的研究進(jìn)展，找出研究空白，并探究提升高含固污泥厭氧消化的未來(lái)研究方向�？傮w而言，影響高含固污泥厭氧消化的主要因素有：固體含量、攪動(dòng)、固體停留時(shí)間、溫度、pH值、氨/銨脅迫、揮發(fā)性脂肪酸、有毒有害物質(zhì)、流變性質(zhì)等等。針對(duì)目前存在的幾項(xiàng)研究空白：高含固污泥的定義不規(guī)范，高含固污泥厭氧消化中污染物的遷移和轉(zhuǎn)化不明確，高含固污泥厭氧消化中有機(jī)物的代謝途徑尚不清楚，高含固污泥厭氧消化的數(shù)學(xué)模型不足等；未來(lái)需要重點(diǎn)針對(duì)以上幾點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行探索，以提升高含固污泥厭氧消化效率。此外，需要進(jìn)一步探討污泥脫水劑對(duì)于高含固污泥厭氧消化的影響效果。
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.
編者點(diǎn)評(píng)
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，污染排放總量高，土壤環(huán)境受到顯著影響。為了實(shí)現(xiàn)“青山綠水”的美麗中國(guó)，國(guó)務(wù)院依次印發(fā)了 “大氣十條”、 “水十條”和“土十條”，建設(shè)生態(tài)文明的小康社會(huì)，為人民享受新鮮空氣、潔凈水和健康的土壤提供保障。我國(guó)污水處理規(guī)模世界第一，但是污水處理過(guò)程產(chǎn)生的大量污泥，由于其具有多介質(zhì)復(fù)雜特征及“污染和資源”雙重屬性，存在傳統(tǒng)技術(shù)效率及穩(wěn)定性低的難題，處理不當(dāng)將帶來(lái)環(huán)境二次污染且浪費(fèi)大量資源，是我國(guó)污水處理的短板。目前常用的處理污泥的方法主要包括：厭氧消化、好氧發(fā)酵、污泥干化-焚燒、高干脫水-填埋/建材利用等，其中高含固厭氧消化是一種成本較低，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機(jī)物質(zhì)、殺滅病原微生物、提高污泥脫水能力等優(yōu)點(diǎn)，特別是在目前碳達(dá)峰、碳中和的背景下，污泥厭氧消化技術(shù)回收生物質(zhì)能，作為污泥處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)具有很大的發(fā)展空間。本文綜述了近幾年有關(guān)高含固污泥厭氧消化處理研究進(jìn)展，分析了影響高含固污泥厭氧消化的主要因素，識(shí)別了高含固污泥厭氧消化的知識(shí)差距，并提出了提升高含固污泥厭氧消化的未來(lái)研究方向。本文對(duì)于我國(guó)污水廠節(jié)能減排、污泥處理與資源回收利用有十分重要的理論和指導(dǎo)意義。
本期編輯
王新鋒，男，32歲，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)博士，研究方向?yàn)槲鬯幚砼c資源化利用。
投稿與檢索
《前沿》系列英文學(xué)術(shù)期刊
由教育部主管、高等教育出版社主辦的《前沿》（Frontiers）系列英文學(xué)術(shù)期刊，于2006年正式創(chuàng)刊，以網(wǎng)絡(luò)版和印刷版向全球發(fā)行。系列期刊包括基礎(chǔ)科學(xué)、生命科學(xué)、工程技術(shù)和人文社會(huì)科學(xué)四個(gè)主題，是我國(guó)覆蓋學(xué)科最廣泛的英文學(xué)術(shù)期刊群，其中13種被SCI收錄，其他也被A&HCI、Ei、MEDLINE或相應(yīng)學(xué)科國(guó)際權(quán)威檢索系統(tǒng)收錄，具有一定的國(guó)際學(xué)術(shù)影響力。系列期刊采用在線優(yōu)先出版方式，保證文章以最快速度發(fā)表。
高等教育出版社入選“中國(guó)科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃”集群化項(xiàng)目。Frontier系列期刊中：13種被SCI收錄；1種被A&HCI收錄；6種被Ei收錄；2種被MEDLINE收錄；11種中國(guó)科技核心期刊；16種被CSCD收錄。
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