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論文標題：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
發表時間： 13 Nov 2020
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編者薦語：
《前沿》系列之《環境科學與工程前沿》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
關鍵詞：
高含固效應，厭氧發酵，甲烷產量，生物可降解性，污泥處理
High-solid effect, Anaerobic fermentation, Methane production, Biodegradability, Sludge treatment
文章亮點
• 概述了高含固污泥厭氧消化的研究進展。
• 揭示了影響高含固污泥厭氧消化工藝性能和工藝穩定性的主要因素。
• 識別了當前高含固污泥厭氧消化的研究空白和高含固效應。
• 提出了解決高含固污泥厭氧消化研究空白和效率的未來努力方向。
文章簡介
在過去的幾十年里，高含固厭氧消化曾被廣泛應用于處理有機廢棄物，如農業廢棄物、城市有機廢棄物和餐廚垃圾等。然而，由于差的工藝性能和工藝穩定性，高含固厭氧消化處理污水廠污泥由于其過程調控機制不明，發展受限。為此，開展了大量的研究來克服相應的限制，提升高含固厭氧消化的穩定性和效率。本文綜合分析了影響高含固污泥厭氧消化工藝性能和穩定性的主要因素-高含固效應；總結了提升工藝性能和穩定性的主要方法，例如，高含固污泥預處理和高含固污泥與其它有機廢棄物的厭氧共消化。本文還討論了水熱預處理前后高含固污泥厭氧消化體系中有機物的遷移轉化特點，揭示了污泥高含固效應主要來自于能夠抑制厭氧微生物活性的高濃度物質，該效應同時又造成了污泥差的傳質、低的擴散系數和高的粘度，識別了高含固污泥厭氧消化的研究空白。通過對當前相關研究的總結，本文提出了將來的研究應統一高含固污泥的定義，揭示在高含固污泥系統中污染物的遷移轉化規律、描繪靶向污染物在高含固污泥系統中的代謝途徑和構建準確的高含固污泥厭氧消化數學模型。此外，開發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品，并揭示它們對于高含固污泥厭氧消化的影響也應該在將來的研究中得到重視。
隨著全球人口增長和城市發展，城市污水量急劇增加。隨之而來的城市污水處理過程中的污泥產量也持續增加。截至2019年年底，中國的污泥產量已經超過了5000萬噸/年，預測這一數據在5年內會增長到6500萬噸/年。由于污泥中含有大量的有毒、有害、易腐污染物，如不妥善處理將對環境和人類健康造成極大損害。厭氧消化因其能對污泥進行無害化處理的同時回收資源，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。通常以總固體含量15%（質量比）為界限來區分高含固厭氧消化系統（總固體含量大于15%）和低含固厭氧消化系統（總固體含量小于15%）。由于中國的低含固污泥含有較低有機質（揮發性固體占總固體量低于50%），低含固污泥厭氧消化系統在小型污水處理廠不具有普遍可行性，截至2019年，我國5200個污水處理廠中僅有70個采用了低含固污泥厭氧消化系統，其中，只有不到20個能正常運行。這與管理落后、經濟水平制約、規劃不足、以及污泥中低的揮發性固體占總固體比例有關。與低含固污泥厭氧消化系統相比，高含固污泥厭氧消化系統憑借其較小的反應器體積、低的補溫能耗、少的污水產量、高的單位容積沼氣產量，被認為可能是一種更可行的方法。截至2020年6月，在“ScienceDirect”里開展以“高含固厭氧消化”和“高含固污泥厭氧消化”為主題的文獻計量研究發現，在近15年里，有關“高含固厭氧消化”的文獻兩倍多于“高含固污泥厭氧消化”，這表明目前大多數高含固厭氧消化系統主要用于非污泥有機廢棄物。此外，在2006到2020年間，對于“高含固污泥厭氧消化”的文獻均以實驗研究進行開展，缺少文獻綜述；故本文對高含固污泥厭氧消化進行全面綜述，總結當前的研究進展，找出研究空白，并探究提升高含固污泥厭氧消化的未來研究方向。總體而言，影響高含固污泥厭氧消化的主要因素有：固體含量、攪動、固體停留時間、溫度、pH值、氨/銨脅迫、揮發性脂肪酸、有毒有害物質、流變性質等等。針對目前存在的幾項研究空白：高含固污泥的定義不規范，高含固污泥厭氧消化中污染物的遷移和轉化不明確，高含固污泥厭氧消化中有機物的代謝途徑尚不清楚，高含固污泥厭氧消化的數學模型不足等；未來需要重點針對以上幾點內容進行探索，以提升高含固污泥厭氧消化效率。此外，需要進一步探討污泥脫水劑對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.
編者點評
隨著我國經濟發展，污染排放總量高，土壤環境受到顯著影響。為了實現“青山綠水”的美麗中國，國務院依次印發了 “大氣十條”、 “水十條”和“土十條”，建設生態文明的小康社會，為人民享受新鮮空氣、潔凈水和健康的土壤提供保障。我國污水處理規模世界第一，但是污水處理過程產生的大量污泥，由于其具有多介質復雜特征及“污染和資源”雙重屬性，存在傳統技術效率及穩定性低的難題，處理不當將帶來環境二次污染且浪費大量資源，是我國污水處理的短板。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物質、殺滅病原微生物、提高污泥脫水能力等優點，特別是在目前碳達峰、碳中和的背景下，污泥厭氧消化技術回收生物質能，作為污泥處理的關鍵環節具有很大的發展空間。本文綜述了近幾年有關高含固污泥厭氧消化處理研究進展，分析了影響高含固污泥厭氧消化的主要因素，識別了高含固污泥厭氧消化的知識差距，并提出了提升高含固污泥厭氧消化的未來研究方向。本文對于我國污水廠節能減排、污泥處理與資源回收利用有十分重要的理論和指導意義。
本期編輯
王新鋒，男，32歲，中國農業大學博士，研究方向為污水處理與資源化利用。
投稿與檢索
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由教育部主管、高等教育出版社主辦的《前沿》（Frontiers）系列英文學術期刊，于2006年正式創刊，以網絡版和印刷版向全球發行。系列期刊包括基礎科學、生命科學、工程技術和人文社會科學四個主題，是我國覆蓋學科最廣泛的英文學術期刊群，其中13種被SCI收錄，其他也被A&HCI、Ei、MEDLINE或相應學科國際權威檢索系統收錄，具有一定的國際學術影響力。系列期刊采用在線優先出版方式，保證文章以最快速度發表。
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