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摘要：如今，污泥不再被视为废物，因为它有产生有价值的产物的能力。除了土地处置和热化学处理（即热解，燃烧，气化）以外，生物处理似乎也是有潜力的增值途径去有效地处理废水污泥。厌氧消化（AD）工艺已经被应用于工业规模上，以有效地处理污泥并对其进行价值增值。然而，与其他类型的有机废物相比，污泥厌氧消化产生的甲烷产量仍然较低。因此，预处理和混合消化分别有助于提高有机物降解性和污泥产甲烷的能力。本篇文章回顾了关于污泥预处理和污泥与其他基质（如城市固体有机废物，油脂废弃物，木质纤维素和藻类生物）的混合消化方面的最新成就。此外，审查了关于混合消化和预处理方面的最新研究。本篇文章还提供了一些更好地管理污泥回收的建议，通过考虑多个方面，例如技术经济可行性，预处理对污泥理化性质和消化液的质量的影响。社会环境和立法方面也是必不可少的，以确保该过程的可持续性。
关键词：污水污泥、价值增值、厌氧消化、预处理、混合消化、工艺组合
- 介绍
污泥是污水处理过程中产生的固体废物。随着人口的增长，目前污泥的数量也正在增加，特别是在城市地区[1]。根据污水的处理过程，污泥可以分为具有各种物理和生物特性的初级污泥、中级污泥或混合污泥（图1）。污水处理的第一步操作为筛除大的悬浮杂质。在沉沙池中除去污水中包含的砂粒和其他重的固体后，污水被输送到初沉池内，在该过程中污水进行了物理和化学处理（凝结、絮凝、浮选）和沉降（图1）。初沉池去除了污水中约40-50%的固体杂质，因此产生了“初级污泥”。污水中存在的污染物在曝气池中去除，异养细菌利用氧气作为最终电子受体消耗异养细菌消耗有机物质和营养物来生长并产生三磷酸腺苷。微生物与固体混合然后在二沉池中沉降。产生的称为“中级污泥或活性污泥”的废物部分回收到曝气池中（图1）。为了消除残留的悬浮固体和营养物质（例如氨和磷），可能需要额外处理工艺，例如第三级处理。在某些情况下，还可以用紫外线，氯气或臭氧对处理后污水流进行消毒[2]。污泥被浓缩，脱水并最终被处理掉。在土地施用之前，应检查污泥的化学性质，例如pH值，养分和重金属浓度以及病原体的存在[3]。表1列出了文献报道的各种污泥特性。高有机物含量清楚地表明了通过堆肥或厌氧消化进行生物降解的可行性。通常，由于它们各自的组成，初级污泥的降解比中级污泥更容易，因为初级污泥主要由更容易降解的多糖和脂肪组成，而中级污泥主要由微生物、外聚合物质（蛋白质和多糖）以及未降解的有机物和矿物质组成[4, 5]。
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名称缩写 |
OFMSW |
城市固体垃圾的有机部分 |
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OLR |
有机负荷率 |
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AcoD |
厌氧混合消化 |
PHA |
聚羟基链烷酸酯 |
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AD |
厌氧消化 |
PS |
初级污泥 |
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BMP |
生物化学产甲烷能力 |
SS |
剩余污泥 |
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BES |
生物电化学系统 |
SCFA |
短链脂肪酸 |
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COD |
化学需氧量 |
TPAD |
高温厌氧消化 |
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CFU |
菌落形成单位 |
TS |
总固体量 |
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FOG |
脂肪油脂 |
TSS |
悬浮固体量 |
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FA |
游离氨 |
US |
超声波 |
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GHG |
温室气体 |
VFA |
挥发性脂肪酸 |
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HHV |
高热值 |
VS |
挥发性固体 |
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HRT |
水力停留时间 |
VSS |
挥发性悬浮固体颗粒 |
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HTC |
水电热碳化 |
WAS |
废活性污泥 |
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MFC |
微生物燃料电池 |
WWTP |
污水处理厂 |
图1:污水处理厂的流程和污泥的分类
由于污泥的非均性和潜在毒性，其处理方法十分复杂[11]。污泥以前被认为是废物，可以通过燃烧，土地施用，填埋和排放到地表水中的方式进行处理[12]。现在，后两种处理污泥的方案均被禁止或限制在大多数欧洲国家。燃烧污泥减少了污泥的体积同时也产生了能量[13]。土地施用仍被广泛使用，因为它可以使无机矿物（N，P，K）作为肥料被回收利用。污泥也可以进行堆肥处理，这是一种生物稳定过程，可以回收有用的物质应用到农业中。厌氧消化工艺已经应用了数十年以减少污泥量和污泥处置成本。该工艺的优势在于可生产i）沼气，它可用作能源，有助于废水处理厂能源的自给自足；ii）消化物，根据污泥的质量和现行法规，其中含有的营养物质可回收用于农业[14]。在未来循环经济体中，废水处理厂应转变为水资源回收设施单位，以有效地再利用污泥或废水本身中含有的的碳元素和营养物质。因此，在未来污泥应被视为新型可再生能源的物质[15]以及营养物质的回收通过农业施用[16]。为此，新兴的生物技术，例如用于制氢的暗发酵、生物电化学系统和用于生物塑料生产的发酵目前都正在研究中。污泥还可以通过涉及气化[17]、热解[18]和水热碳化[19]等热化学过程进行价值增值。他们产生能量和生物材料，例如生物炭可用于农业领域和用作吸附材料。
厌氧消化（AD）是一种环境友好的工艺，有望在污泥回收流程中发挥重要作用。在厌氧消化工艺中，由于污泥的顽固性或污泥内物质的可获得性低，因此污泥的某些成分几乎不能被微生物降解。所以，污泥需要进行污泥预处理为了：i）改变污泥的组织结构和结构架构；ii）溶解有机物；iii) 增加污泥可接触的表面积并加速水解（在中级或混合污泥中，限制步骤速率）从而提高甲烷产量。目前，已经开发了许多预处理方法去提高污泥转化成易使用和可溶的有机物的效率，从而使生物燃料的产量最大化。预处理技术包括许多独立的或组合的机械、化学、物理化学和生物学方法。近年来，开发污泥厌氧混合消化工艺（AcoD），的目的是调节碳/氮比，从而降低抑制剂浓度并提高甲烷产率。虽然根据指导书2008/98/ EC [20]第22条所述，污泥与生物废物的混合受到限制在欧盟国家。但是，在其他国家，这仍然是可行的选择例如中国[21]和印度[22]。最近，尽管关于该主题的出版物仍然很少，还是通过结合厌氧混合消化工艺和污泥预处理的方法进行研究[23]。厌氧混合消化工艺与预处理联合使用的效率取决于预处理的性质和难易程度以及混合底物的组成。最大的挑战仍然是选择合适的底物和最佳的预处理条件，从而提高甲烷的产量并且更好地减少沼气池的能耗。提高消化液的质量也将使处理和管理更加简单。
本研究首先尝试将厌氧消化置于其他污泥增值过程中，并且回顾了近期关于不同污泥预处理和混合消化的工作。这篇评论的新颖之处在于它对厌氧混合消化工艺与预处理之间的联合使用进行了批判性分析。此外，基于最近的研究进展和未来发展趋势，首次提供了一种多标准的污泥为保持价值方案。
2.污泥处理和价值增值方法
图2阐述了本文报道污泥保持的途径。在第一部分中，讨论了经典的处置方法（倾倒、填埋）和增值方法（土地施用和堆肥）。文章有部分专门介绍通过厌氧消化工艺回收污泥的方法。最后，对新兴的生物和热化学进行污泥回收的工艺进行评估。
2.1.经典的污泥处理和增值途径
尽管在1980年代人们认为将污泥倾倒入海水中是种经济且可接受的处置途径[24],但最终发现在倾倒污泥地区，重金属和沉积物的积累对当地动物是有害的。因此，这种做法受到了限制根据1996年的《伦敦议定书》。但是，在中国，产生的污泥中有80%以上仍被倾倒到海洋中[25]。相似地，填埋也不是可持续的解决方案来处理污泥。填埋污泥会在土壤或水体中产生温室气体和渗滤液，从长远来看，它们会污染植物而植物又会被动物采食进而影响气候变化、人类健康和生态系统的平衡。自2002年以来， 欧盟（EU）立法已限制填埋最终废物。热值（HHV）大于6 MJ / kg的污泥也被禁止填埋[26]，因此为污泥其他处理途径开辟了道路。如今，根据欧盟委员会的环境准则，欧盟国家最常用的污泥管理策略是焚化和土地施用[27]。
表格1：来自文献的污泥特征：参数和报告价值的范围[2, 6-10]。
焚化或燃烧是在充足氧气条件下进行的热过程。虽然该过程需要污泥事先或现场进行脱水和干燥，但具有以下优点：(i) 污泥量大大减少，过程产生的稳定灰烬仅占原干燥污泥量的30% [28]；(ii) 可以高温破坏杀死病原微生物；(iii) 回收能量。的确，干污泥的热值与褐煤的热值(约16300 kJ / kg) 近似[25]，尤其是在那些缺乏填埋空间的国家中，这一点使污泥具有可以作
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