城市污泥中脂質(zhì)的資源化處理

　　污泥是指用物理法、化學(xué)法、物理化學(xué)法和生物法等處理廢水時(shí)產(chǎn)生的沉淀物、顆粒物和漂浮物。它是污水處理后的固廢產(chǎn)物，是由有機(jī)物、細(xì)菌菌體、重金屬、植物營養(yǎng)元素等組成的極其復(fù)雜的非均質(zhì)體。其含水率高，有機(jī)物含量高，容易腐化發(fā)臭，并且顆粒較細(xì)，比重較小，呈半固態(tài)。在城市污水處理廠運(yùn)營中的資源化利用已成為研究的焦點(diǎn)。

　　回收污泥中的脂質(zhì)用作生物柴油、潤滑油等，是最具應(yīng)用前景的途徑。污泥中油脂含量豐富，最高可達(dá)干污泥的37.40%。在脂質(zhì)提取過程中還能實(shí)現(xiàn)污泥的減量化，并使得污泥達(dá)到穩(wěn)定指標(biāo)，減少后續(xù)處理難度。

　　污泥中脂質(zhì)資源化利最重要步驟是脂質(zhì)提取。目前常用的方法有傳統(tǒng)催化熱解法、微波熱解法和生物熱解法，下文將分別對(duì)不同方法進(jìn)行詳細(xì)的討論。

　　1、污泥傳統(tǒng)催化熱解制備生物柴油

　　催化劑在污泥的熱解過程中，不僅能夠縮短熱解時(shí)間，降低所需溫度，提高熱解能力，還能減少污泥剩余固體量，提高脂質(zhì)產(chǎn)出率。

　　黃華軍等在亞/超臨界狀態(tài)下以丙酮代替水作為溶劑，考察了催化劑的用量對(duì)污泥液化效果影響，在丙酮用量為200mL，熱解溫度為320℃，反應(yīng)壓力為6.0MPa時(shí)，添加5%(占污泥原料的質(zhì)量分?jǐn)?shù))劑量的NaOH作為催化劑，比沒添加催化劑時(shí)，污泥中產(chǎn)油率從53.08%提高到了69.95%。

　　馬智明在亞/超臨界狀態(tài)下，用正交實(shí)驗(yàn)證明了Na2CO3比FeSO4催化效果更好，在熱解溫度為400℃，熱解時(shí)間90min，添加5%Na2CO3作催化劑時(shí)，污泥中油產(chǎn)量為7.70g。同時(shí)研究還證明了甲醇-水混合溶劑比正己烷-水混合溶劑提取效率高，在熱解溫度為340℃，熱解時(shí)間為40min時(shí)，產(chǎn)油率提高到了46.5wt%。隨著對(duì)溶劑和催化劑的不斷研究，趙文建等用4種溶劑(水、乙醇、正己烷、水-乙醇共溶濟(jì))作為污泥熱解液化溶劑，進(jìn)行產(chǎn)油率比較分析。結(jié)果表明水-乙醇共溶濟(jì)在熱解溫度300℃時(shí)，產(chǎn)油率高達(dá)44.63%，并且在污泥減量化、資源化方面效果明顯，污泥中有機(jī)物轉(zhuǎn)化率最高為96.4%。添加乙醇還可以提高生物質(zhì)汽油組分含量。胡海杰利用Ti/SO42--CK(10)做催化劑，對(duì)污泥熱解進(jìn)行研究，在熱解溫度為熱解溫度為430℃、熱解時(shí)間為3.5h、催化劑Ti/SO42--CK(10)添加量為1.5%、升溫速率為10℃/min、氮?dú)饬髁繛?00mL/min時(shí)，含油污泥的熱解油回收率可達(dá)84.09%。此外，新型催化劑的使用，還有利于污泥中重金屬和含氮、磷有機(jī)物的遷移轉(zhuǎn)化。

　　2、污泥微波熱解制備生物柴油

　　傳統(tǒng)熱源熱解污泥產(chǎn)生液態(tài)產(chǎn)物，熱值可達(dá)到35.59MJ/kg，產(chǎn)生的氣態(tài)產(chǎn)物，熱值可達(dá)到15530kJ/m3;微波熱源熱解污泥產(chǎn)生的液、氣產(chǎn)物熱值分別達(dá)到37MJ/kg、9420kJ/kg，而且液態(tài)產(chǎn)物中的PAHs低于5.37%，氣態(tài)產(chǎn)物中CO及H2高達(dá)54%以上。與傳統(tǒng)熱源熱解相比，產(chǎn)物熱值相對(duì)較高，而且在使用微波吸收劑的情況下，能大大節(jié)約能源和熱解時(shí)間。

　　微波熱解效果受微波吸收劑的影響，方琳等利用碳化硅、活性炭、污泥微波高溫?zé)峤夤腆w殘留物(炭化污泥)4種微波吸收劑做對(duì)比實(shí)驗(yàn)，前3種在600℃時(shí)比炭化污泥的熱解效果更好，能使氣態(tài)產(chǎn)物中CO及H2含量大大增加。陳浩等用鎳基催化劑與微波熱解技術(shù)對(duì)污泥進(jìn)行熱解實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明H2產(chǎn)量提升了23.4%，CO產(chǎn)量提升了26.6%。鄧義文等考察了CaO、ZnCl2在微波熱解污泥中對(duì)氣態(tài)產(chǎn)物的影響，研究結(jié)果表明，ZnCl2在促進(jìn)熱解氣中H2的體積分?jǐn)?shù)優(yōu)于CaO，在800℃～900℃條件下，ZnCl2與干基污泥質(zhì)量比為1∶2時(shí)，H2的體積分?jǐn)?shù)從原有的34%提升到了49.2%。此外，微波熱解還有利于重金屬的遷移轉(zhuǎn)化，減少環(huán)境污染。

　　3、污泥生物發(fā)酵制備生物柴油

　　污泥中富含多種產(chǎn)油微生物，如聚磷菌、聚糖菌能在體內(nèi)合成聚羥基脂肪酸酯顆粒等，放線菌、酵母菌和霉菌等可以合成三酰甘油酯等。通過對(duì)微生物發(fā)酵培養(yǎng)，進(jìn)行油脂提取，按《動(dòng)植物油脂脂肪酸甲酯制備》(GB/T17376-2008)進(jìn)行萃取制得生物柴油。

　　由于污泥中微生物是在低碳高氮條件下產(chǎn)生，使得產(chǎn)油量極低，導(dǎo)致了改技術(shù)的局限性。近年來，不少學(xué)者通過在發(fā)酵環(huán)節(jié)中引入碳源、控制碳氮比、pH、提取方法等條件，實(shí)現(xiàn)了污泥生物發(fā)酵油脂的富集。Mondala等通過60g/L-1葡萄糖做碳源和增加碳氮比(70∶1),使脂質(zhì)和生物柴油的最大產(chǎn)量分別為17.5±3.9和(10.2±2.0)%。王怡等不同碳氮比下利用微生物對(duì)污泥進(jìn)行發(fā)酵研究，結(jié)果表明，在碳氮比為210條件下培養(yǎng)5d，生物污泥制取的生物柴油產(chǎn)率最大為6.59%，且最利于脫水預(yù)處理。李植峰等對(duì)真菌油脂提取的方法進(jìn)行了對(duì)比研究，結(jié)果表明有機(jī)溶劑浸取法適用于工業(yè)化生產(chǎn)中，經(jīng)處理后的破碎菌體；高產(chǎn)菌株的復(fù)篩及培養(yǎng)條件優(yōu)化時(shí)，宜選索氏提取法；SCF-CO2法適用于菌株的帥選，但是對(duì)儀器設(shè)備要求較；酸熱法操作簡便、快速，樣品不需任何處理，極適合菌株篩選。

　　該方法利用污泥中微生物作為菌源，可以資源化利用污泥，同時(shí)減少滅菌環(huán)節(jié)，降低了發(fā)酵成本。另一方面，可以實(shí)現(xiàn)相關(guān)工業(yè)廢棄物、殘余農(nóng)業(yè)纖維素等高濃度有機(jī)廢水作為培養(yǎng)碳源，降低廢水處理成本。如造紙廢水、甘蔗渣水解液、含糖污泥。然而，如何通過優(yōu)化培養(yǎng)條件進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本并提高污泥中可皂化脂質(zhì)含量，是促進(jìn)該方法推廣應(yīng)用的重要研究方向。

　　4、結(jié)語

　　該文總結(jié)了目前污泥脂質(zhì)資源化利用的研究進(jìn)展，從傳統(tǒng)催化熱解、微波熱解、生物發(fā)酵制備生物柴油的3種方法進(jìn)行綜述，發(fā)現(xiàn)各種方法都有較全面的研究。其中，微波熱解方法比傳統(tǒng)的催化熱解效率更高，資源利用率高，更節(jié)能;生物發(fā)酵由于節(jié)能環(huán)保，比其他兩種方法更具備研究和推廣潛力。

　　污泥中脂質(zhì)含量高，用途廣泛，除制備生物燃料外，其他應(yīng)用案列較少。并且3種方法中生物柴油的制備用的都是有毒有機(jī)溶劑，不利于環(huán)境保護(hù)。今后研究可以從下幾點(diǎn)入手。

　　(1)研究新型高效低毒和無毒的溶劑作為脂質(zhì)的吸收和萃取溶劑，使其整個(gè)提取過程能回收利用。

　　(2)在傳統(tǒng)熱解催化基礎(chǔ)上，將溶劑和催化劑相結(jié)合進(jìn)行研究，優(yōu)化條件參數(shù)，提高污泥產(chǎn)油率，實(shí)現(xiàn)資源利用最大化。

　　(3)將研究催化劑效果與去除污泥中有機(jī)物、重金屬相結(jié)合，在提取的過程一并進(jìn)行，減少后續(xù)處理環(huán)節(jié)，節(jié)約能源。

　　(4)研究新型的發(fā)酵菌，使其具有制取生物柴油兼去除污泥中有害物質(zhì)的功能，使處理后的污泥達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

　　(5)開發(fā)熱解過程中脂質(zhì)副產(chǎn)物的其他應(yīng)用，如制備潤滑油、化學(xué)品等。(來源：重慶市能源利用監(jiān)測(cè)中心生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)部，重慶海關(guān)技術(shù)中心化學(xué)鑒定與環(huán)境安全分中心)