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污泥预处理方法和协同消化促进废水处理厂沼气生产和能源自给的研究进展综述
摘要：尽管水卫生基础设施及其可促进的减少水污染的程度，但关于污水处理目标是否适应循环经济和可持续性概念的辩论已经加剧。 这一讨论包括如何更有效地利用能源和投入，以及如何利用在整个废水处理过程中在液相、固相和气相中产生的中间和最终资源。 能源安全、环境影响和废水处理厂能源成本上升的日益关切的问题，使厌氧消化过程成为生产可再生能源的可行技术。 因此，厌氧污水处理装置进行厌氧污泥消化产生的沼气具有很大的潜力。 本工作旨在回顾厌氧消化池中诱导沼气产生的技术的最新进展，包括预处理方法（热、物理化学和生物）和与其他有机残留物的共消化。 机制，优点，缺点，技术和经济方面进行讨论。 在评估的策略中， 生物预处理和共消化在效率和成本方面更有前景。 然而，应从不同的角度仔细评估这些技术，以巩固其全面应用。
关键词：厌氧消化池，共消化，预处理，技术进步
1.导言：废水处理厂的主要目的是去除污水中的污染物，防止水质变坏，保护水体的使用。 根据水质标准，环境立法界定了处理后污水排入水体的准则。 虽然污水处理厂的设计和运行必须遵守这些标准和准则， 但其他互补的技术和经济因素指导了应用技术的选择。 这些因素包括比表面积要求、操作控制的复杂性、电动机械化的程度、稳健性和技术成熟度、与未来水力能力扩展的兼容性、处理程度、电力要求、污泥处置方案以及[1,2]的资本和运营成本。
从历史上看，水污染控制一直依赖于采用集中式污水系统和更广泛的利用活性污泥法作为二次处理技术。 大多数发达国家都有去除可生物降解有机化合物、营养物质和病原生物的污水处理厂。 目前，这些国家正在过渡其城市卫生基础设施，以消除微量污染物[3,4]。 废水处理技术的发展正在朝着将污水处理 转化为回收水、能源、营养物质和其他产品的地方的价值方向发展[5-7]。 不幸的是，在欠发达国家和新兴经济体，如巴西，现实不容乐观，巴西的官方指标只报告了46%的[8]产生的污水的处理情况。
废水处理技术已经在不同的物理-化学和生物单元、操作和工艺之间提出了各种各样的可能方案，其定义取决于对几个技术和经济因素的仔细评估。 因此，
由于污水处理厂坚持新的技术路线，大大扩展了适用选项的范围， 并对采用哪种废水处理技术作出了更复杂的要求。 在创新环境中，技术和经济可行性、成熟程度和技术稳健性以及全面处理的最新技术是影响目前提出的建议清单的相关因素。 所有技术的适用性取决于处理的液相、固相和气相的单元、操作和工艺之间的相互关系。 另一方面，使用任何技术都需要对其最直接的好处有一个广泛的认识，因为其性能将在其他处理阶段的整个环节产生影响，甚至包括对所产生的资源的可行性和有效开发。
虽然将处理目标、适当增加的技术和经济因素以及效率和可持续性价值结合起来，可能意味着代表一个行业可以从废水中回收产品和资源，但任何举措都必须在技术上得到很好的支持，并被其技术、经济和社会环境可持续性的低不确定性所包围。 因此，需要研究讨论生命周期评估(LCA)技术在评价废水处理的操作、过程和技术路线方面的应用[9- 11]。
Corominas等人。 [12]对LCA方法在规划、设计和优化废水管理和基础设施可持续性方面的应用进行了建设性审查。 Awad等人。 [10]评估了低收入和中等收入国家改善常规废水处理的经济和环境影响，并表明采用厌氧消化和第三级处理组合产生了经济和环境的最大效益，污水处理设施可以转化为资源回收设施。 其他LCA研究[10,11]表明，厌氧消化等环境友好技术产生的沼气在促进污泥价态化和减少其管理的环境负担方面发挥着重要作用。
目前对WWTP作为开垦和开发水、能源、肥料和其他资源的工业的理解可以通过分析每条技术路线在其各自的液相、固相和气相中的潜在来源来描述[5-7]。 沼气可在液相、厌氧污水处理装置中产生，特别是在上流厌氧污泥毯反应器(UASB)[13,14]中，在固相中，通过中温或嗜热操作条件在厌氧污泥消化装置中产生[13-16]。
Noyola等人。 [17]对拉丁美洲和加勒比国家的2734个污水处理设施进行了研究，并指出，UASB反应堆用于493个WWTPs（17%），是第三个应用最多的技术。 在过去的30年里，厌氧技术在发展中国家的城市污水处理中占据了重要地位，目前在墨西哥、哥伦比亚和巴西[18,19]普遍存在，并介绍了在二次好氧处理步骤后使用一次沉淀或UASB反应器处理废水的液相和固相的流程图。
对于应用于液相的UASB反应器，最近的研究讨论了由于反应体积[18,20]的紧密性缺陷，沼气在液体介质中的溶解度或大气泄漏而造成的潜在损失。 在固体处理阶段，在厌氧、中温或嗜热消化池中诱导沼气产生的技术进展包括在此基础上增加预处理污泥的步骤
- 采用一次沉淀(A)或UASB反应器(B)处理废水的液相和固相的装置。
热、物理化学或生物过程[21]，并与其他有机残留物共同消化，以提供不同的生物降解分子，增强沼气[22]的产生。
在2019年，巴西是世界上第九大能源消费国，发电装机容量为172.3 千兆瓦[23]。 在该国使用的能源中，水力发电（61.3%)、风能和太阳千兆瓦[23]。 在该国使用的能源中，水力发电（61.3%)、风能和太阳[23]能源总量的0.1%。 值得注意的是，水电取决于气候条件，例如降雨制度，这可能损害该国在干旱时期的能源安全。从这个意义上说，沼气生产对巴西能源矩阵[24]至关重要。 相反，巴西需要克服政治、技术和经济障碍来开发这一潜力。
来自里约热内卢联邦大学的研究小组一直在开展研究，以提高WWTPs的沼气产量，并使其能够用作能源投入。 近年来发展的实验研究评价了生物柴油工业产生的食物废物和甘油与微藻生物质[27]的厌氧共消化污泥[25,26]以及低成本水解酶(通过固态发酵-SSF获得)在污水处理[28,29]中的应用。
在此背景下，本工作旨在回顾厌氧污泥消化池中诱导沼气产生的最新技术进展，包括预处理和共消化技术。 简述了预处理和共消化方法，并在实验室、中试和全面试验中应用了污泥增溶或挥发性固体破坏和甲烷产量增加的数据。 根据效率、资本成本等数据对各方法的优缺点进行了评价，
- 污水处理厂厌氧污泥消化和沼气产生的原理
厌氧消化是WWTPs中最常用的一次和二次污泥发酵工艺之一。 又称甲烷发酵或厌氧污泥稳定化， 该工艺可使污泥有机质含量降低40%- 55%[30]代表了污泥干燥焚烧前处理的必要步骤，优化后处理工艺，节约成本。 此外，产生的沼气可用作能源。
厌氧消化的优点是产生甲烷作为额外的能源，减少有机物和优化新的处理，利用剩余污泥作为土壤调理剂，减少垃圾填埋场的甲烷排放。缺点之一是污泥中金属和污染物的积累，资本成本高，设计、施工、操作和维护的熟练劳动力，以及保持最佳反应条件[31,32]的复杂度高。
厌氧消化过程在很大程度上依赖于一群微生物之间的相互和同步相互作用，在没有游离氧的情况下，将复杂的有机物水解成可溶性单体， 如氨基酸、脂肪酸、糖和甘油。 为了优化厌氧消化过程，了解这些生物过程及其相关的化学反应是至关重要的。 厌氧污泥消化的原料主要由蛋白质组成的未降解细胞组成。 这一过程分为四个阶段：水解、酸生成、乙酰生成和甲烷生成。 在没有氧气的情况下，原料的降解是由存在于消化过程的每一阶段的微生物组合促进的，导致形成一种消化物（分解的原料）和一种以甲烷为主要成分的气体混合物[32]。
水解是一个相对缓慢的步骤，可以限制消化过程的速率，特别是当固体废物作为原料时。 在厌氧消化的水解阶段不溶性有机化合物(例如， 纤维素-(C6h10o5(n)转化为可溶性有机化合物。 葡萄糖-C6h12o6如反应1所示，可供细菌细胞[31]使用。
(1)
在酸发生阶段，如反应2-5所示，水解过程中形成的可溶性化合物被降解并转化为挥发性脂肪酸(VFA)(例如。 乙酸、丙酸和丁酸)、乙醇、CO2和H2 由产酸细菌[31]。
(2)
(3)
(4)
(5)
反应6-8代表乙酰发生的阶段，其中酸性相的产物转化为乙酸(CH COO—) 还有氢 (H2 ), 其中可以是已使用通过产甲烷菌古细菌 在 的 下一个厌氧消化过程的阶段。
3 2
(6)
(7)
(8)
甲烷发生，以反应9和10 为代表，构成厌氧消化过程的第四和最后阶段，和
CH4[31]。这些微生物对于厌氧非常重要，消化，因为它们生长缓慢，对环境的变化非常敏感。 此外，产甲烷菌只能吸收和消化最简单的底物。 产甲烷古细菌可分为两类：乙酰营养型和氢营养型。 前者生产CH4 通过乙酸的脱羧(约70%的CH4 是由这一组产生的)，而后者是由H的减少产生的H2/CO2。 甲烷发生主要有六种代谢途径。 每个途径将不同的底物转化为CH4 本步骤使用的主要底物是乙酸(CH3COOH)，甲烷酸(HCOOH)，二氧化碳(CO2硫酸二甲酯(CH3)2SO4)、甲醇(CH3OH）和甲胺(CH3NH2) [32].
(9) (10)
- 厌氧污泥消化池沼气生产及能源潜力
污泥池产生的沼气是甲烷（55-65%)和二氧化碳(35-45%）的气态混合物，含有少量硫化氢和氨。 此外，沼气中偶尔存在氢、氮、一氧化碳、饱和或卤代烃和氧气的痕迹。 一般情况下，气体混合物是饱和的水蒸气，可能含有颗粒材料和有机化合物与硅（硅氧烷）[33]。
沼气生产速率对于评估厌氧消化效率至关重要。 沼气的产生量和组成因温度、pH、水分和分解有机物的组成而不同。 不断测量沼气的组成是必不可少的，因为发现的浓度是生产异常和微生物活动的良好指示。 散发出来的气体可以指示有多少有机物有待分解。 在间歇操作的反应器中，气体排放的测量为有机物的完全消化提供了时间表，并指示何时应在反应器中添加新的原料。 在连续模式运行的反应器中，沼气的生产表明整个过程的效率，并允许稳定的排放，只要建立足够的有机物供应，以保持微生物在其峰值消化能力。 排放还可以指示发生的问题，如pH变化或温度波动，这可能限制消化过程的[34]。的污泥中化学需氧量(COD)的比负荷传统的市政WWTPs可以厌氧转化为13-16公斤COD/居民/年。 可将COD直接转化为甲烷(0.35Nm3 ch 和甲烷直接转化为热
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能量(10kWh/m3 ch ). 这个可以是已使用去估计数的热还有从厌氧污泥池中产生的沼气中获得的电能。 考虑到热电联合设备的电效率为35%，总效率为90%，人均可从污泥[35]中产生25-31kWh和16- 20kWh。 沼气中甲烷的浓度决定其能量容量或热值。 沼气的热值与60% 的甲烷允许能量每一立方米生产， 相当于5-7.5 千瓦小时( 平均6 千瓦小时/ 米3 或21.6MJ/m3或1.5-3千瓦小时的电气能源。 在实践中，较低的值可达1.3至2.3[36]。
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沼气的甲烷部分可以用，配合调理，代替天然气。 大约1%的有益使用的沼气被净化到与天然气相同的质量，作为热源和能源[37]在天然气系统中传输。 为了获得天然气的质量，沼气必须富含甲烷， 并将其二氧化碳、沉积物、水和泡
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