城市污泥中脂质的资源化研究进展

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　　摘  要：污泥是城市污水处理厂污水处理后的最终产物，其中脂质是污泥中有机含量第二的有机物，回收利用污泥中的脂质用作生物柴油、润滑油、化学品是污泥资源化处理的新方向。脂质资源化利用的提取方法包括传统热解催化、微波催化、生物发酵。用作生物柴油原料是脂质目前最有前景的应用方式。该文对污泥中脂质的提取方法进行综述，并展望了其发展方向。
　　关键词：污泥  脂质  生物柴油
　　中图分类号：X703    文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2020）01（a）-0047-04
　　Abstract： Sludge is the final product of sewage treatment in urban sewage treatment plants. The lipid is the second organic content in the sludge. The lipid in the recovered sludge is used as biodiesel， lubricating oil and chemicals. The new direction of processing. The extraction of lipid utilization includes traditional pyrolysis catalysis， microwave catalysis， and biological fermentation. Used as a biodiesel feedstock is currently the most promising application of lipids. This paper reviews the methods of extracting lipids from sludge and looks forward to its development direction.
　　Key Words： Sludge; Lipid; Biodiesel
　　污泥是指用物理法、化学法、物理化学法和生物法等处理废水时产生的沉淀物、颗粒物和漂浮物。它是污水处理后的固废产物，是由有机物、细菌菌体、重金属、植物营养元素等组成的极其复杂的非均质体[1-2]。其含水率高，有机物含量高，容易腐化发臭，并且颗粒较细，比重较小，呈半固态。在城市污水处理厂运营中的资源化利用已成为研究的焦点[3-6]。
　　回收污泥中的脂质用作生物柴油、润滑油等，是最具应用前景的途径[7]。污泥中油脂含量丰富，最高可达干污泥的37.40%[8]。在脂质提取过程中还能实现污泥的减量化，并使得污泥达到稳定指标，减少后续处理难度[9]。
　　污泥中脂质资源化利最重要步骤是脂质提取。目前常用的方法有传统催化热解法、微波热解法和生物热解法，下文将分别对不同方法进行详细的讨论。
　　1  污泥传统催化热解制备生物柴油
　　催化剂在污泥的热解过程中，不仅能够缩短热解时间，降低所需温度，提高热解能力，还能减少污泥剩余固体量，提高脂质产出率[10-12]。
　　黄华军[18]等在亚/超临界状态下以丙酮代替水作为溶剂，考察了催化剂的用量对污泥液化效果影响，在丙酮用量为200mL，热解温度为320℃，反应压力为6.0MPa时，添加5%（占污泥原料的质量分数）剂量的NaOH作为催化剂，比没添加催化剂时，污泥中产油率从53.08%提高到了69.95%。马智明[19]在亚/超临界状态下，用正交实验证明了Na2CO3比FeSO4催化效果更好，在热解温度为400℃，热解时间90min，添加5%Na2CO3作催化剂时，污泥中油产量为7.70g。同时研究还证明了甲醇-水混合溶剂比正己烷-水混合溶剂提取效率高，在热解温度为340℃，热解时间为40min时，产油率提高到了46.5wt%。随着对溶剂和催化剂的不断研究，赵文建[20]等用4种溶剂（水、乙醇、正己烷、水-乙醇共溶济）作为污泥热解液化溶剂，进行产油率比较分析。结果表明水-乙醇共溶济在热解温度300℃时，产油率高达44.63%，并且在污泥减量化、资源化方面效果明显，污泥中有机物转化率最高为96.4%。添加乙醇还可以提高生物质汽油组分含量。胡海杰[21]利用Ti/SO42--CK（10）做催化剂，对污泥热解进行研究，在热解温度为热解温度为430℃、热解时间为3.5h、催化剂Ti/SO42--CK（10）添加量为1.5%、升温速率为10℃/min、氮气流量为100mL/min时，含油污泥的热解油回收率可达84.09%。此外，新型催化剂的使用，还有利于污泥中重金属和含氮、磷有机物的迁移转化[22-24]。
　　2  污泥微波热解制备生物柴油
　　传统热源热解污泥产生液态产物，热值可达到35.59MJ/kg，产生的气态产物，热值可达到15530kJ/m3[26];微波热源热解污泥产生的液、气产物热值分别达到37MJ/kg、9420kJ/kg，而且液态产物中的PAHs低于5.37%，气态产物中CO及H2高达54%以上[27]。与传统热源热解相比，产物热值相对较高，而且在使用微波吸收剂的情况下，能大大节约能源和热解时间[28-29]。
　　微波热解效果受微波吸收剂的影响[30]，方琳[31]等利用碳化硅、活性炭、污泥微波高温热解固体残留物（炭化污泥）4种微波吸收剂做对比实验，前3种在600℃时比炭化污泥的热解效果更好，能使气态产物中CO及H2含量大大增加。陈浩[29]等用镍基催化剂与微波热解技术对污泥进行熱解实验，结果表明H2产量提升了23.4%，CO产量提升了26.6%。邓义文[33]等考察了CaO、ZnCl2在微波热解污泥中对气态产物的影响，研究结果表明，ZnCl2在促进热解气中H2的体积分数优于CaO，在800℃～900℃条件下，ZnCl2与干基污泥质量比为1∶2时，H2的体积分数从原有的34%提升到了49.2%。此外，微波热解还有利于重金属的迁移转化[34]，减少环境污染。 　　3  污泥生物发酵制备生物柴油
　　污泥中富含多种产油微生物，如聚磷菌、聚糖菌能在体内合成聚羟基脂肪酸酯颗粒等[35]，放线菌、酵母菌和霉菌等可以合成三酰甘油酯等[36]。通过对微生物发酵培养，进行油脂提取，按《动植物油脂脂肪酸甲酯制备》（GB/T 17376-2008）进行萃取制得生物柴油。
　　由于污泥中微生物是在低碳高氮条件下产生，使得产油量极低，导致了改技术的局限性[37]。近年来，不少学者通过在发酵环节中引入碳源、控制碳氮比、pH、提取方法等条件，实现了污泥生物发酵油脂的富集。Mondala[38]等通过60g/L-1葡萄糖做碳源和增加碳氮比（70∶1），使脂质和生物柴油的最大产量分别为17.5±3.9和（10.2±2.0）%。王怡[39]等不同碳氮比下利用微生物对污泥进行发酵研究，结果表明，在碳氮比为210条件下培养5d，生物污泥制取的生物柴油产率最大为6.59%，且最利于脱水预处理。李植峰[40]等对真菌油脂提取的方法进行了对比研究，结果表明有机溶剂浸取法适用于工业化生产中，经处理后的破碎菌体;高产菌株的复筛及培养条件优化时，宜选索氏提取法;SCF-CO2法适用于菌株的帅选，但是对仪器设备要求较;酸热法操作简便、快速，样品不需任何处理，极适合菌株筛选。
　　该方法利用污泥中微生物作为菌源，可以资源化利用污泥，同时减少灭菌环节，降低了发酵成本。另一方面，可以实现相关工业废弃物、残余农业纤维素等高浓度有机废水作为培养碳源，降低废水处理成本。如造纸废水[41]、甘蔗渣水解液[42]、含糖污泥[43]。然而，如何通过优化培养条件进一步降低生产成本并提高污泥中可皂化脂質含量，是促进该方法推广应用的重要研究方向。
　　4  结语
　　该文总结了目前污泥脂质资源化利用的研究进展，从传统催化热解、微波热解、生物发酵制备生物柴油的3种方法进行综述，发现各种方法都有较全面的研究。其中，微波热解方法比传统的催化热解效率更高，资源利用率高，更节能;生物发酵由于节能环保，比其他两种方法更具备研究和推广潜力。
　　污泥中脂质含量高，用途广泛，除制备生物燃料外，其他应用案列较少。并且3种方法中生物柴油的制备用的都是有毒有机溶剂，不利于环境保护。今后研究可以从下几点入手。
　　（1）研究新型高效低毒和无毒的溶剂作为脂质的吸收和萃取溶剂，使其整个提取过程能回收利用。
　　（2）在传统热解催化基础上，将溶剂和催化剂相结合进行研究，优化条件参数，提高污泥产油率，实现资源利用最大化。
　　（3）将研究催化剂效果与去除污泥中有机物、重金属相结合，在提取的过程一并进行，减少后续处理环节，节约能源。
　　（4）研究新型的发酵菌，使其具有制取生物柴油兼去除污泥中有害物质的功能，使处理后的污泥达到相关标准要求。
　　（5）开发热解过程中脂质副产物的其他应用，如制备润滑油、化学品等。
　　参考文献
　　[1] 池勇志，迟季平，李玉友，等.我国城市污水处理厂污水污泥性质与处理处置概况[A].中国城镇污泥处理处置技术与应用高级研讨会[C].2010.
　　[2] 杜芳.城市污泥处置及资源化利用研究进展[J].城市建设理论研究：电子版，2014（24）：3778-3779.
　　[3] 邱敬贤，刘君，黄安涛.市政污泥资源化利用研究[J].中国环保产业，2019（1）：56-61.
　　[4] 徐晗，安平凡，宋广明.污泥综合处置及资源化利用技术研究[J].中国资源综合利用，2019，37（4）：76-78.
　　[5] 胡浩南，王忠强，王峻，等.城市污泥处理与利用标准化技术体系研究[J].给水排水，2018，54（8）：134-139.
　　[6] 吕军辉.市政污泥和工业污泥资源化处置利用技术[J].环境与发展，2018，30（10）：92-93.
　　[7] 张艳.利用微生物油脂原位制备生物柴油和多元醇酯类润滑油[D].北京化工大学，2016.
　　[8] 艾怡霏.城市污水处理厂污泥脂质组成及其酶催化制取生物柴油的基础研究[D].西安建筑科技大学，2014.
　　[9] 王怡，白小娟，艾怡霏，等.城市污水处理厂污泥制取生物柴油的试验研究[J].中国给水排水，2014（1）：14-17.
　　[10] Chiu SJ， Cheng WH. Thermal degradation and catalytic cracking of poly（ethylene terephthalate）[J].Polymer Degradation & Stability，1999，63（3）：407-412.
　　[11] Shie JL， Lin J P， Chang CY，et al. Pyrolysis of oil sludge with additives of sodium and potassium compounds[J]. Resources Conservation & Recycling，2003，39（1）：51-64.
　　[12] 曾凡银，刘海豪，李善得.Fenton催化氧化在污泥减量化中的应用研究[J].资源节约与环保，2019（6）：73-74，81.
　　[13] Song C，Hu，Haoquan，Zhu，Shengwei， et al. Nonisothermal Catalytic Liquefaction of Corn Stalk in Subcritical and Supercritical Water[J].Energy & Fuels，2004，18（1）：90-96. 　　[14] Malins K， Kampars， Valdis， Brinks， Janis， et al. Bio-oil from thermo-chemical hydro-liquefaction of wet sewage sludge[J].Bioresource Technology，2015（187）：23-29.
　　[15] 周磊，韩佳慧，张景来，等.污泥直接液化制取生物质油试验研究[J].可再生能源，2012（3）：69-72.
　　[16] Wang Y，Chen，Guanyi，Li Yanbin， et al.Experimental study of the bio-oil production from sewage sludge by supercritical conversion process[J].Waste Manageme-nt，2013，33（11）：2408-2415.
　　[17] 刘芳奇，吴诗勇，黄胜，等.污泥的正己烷亚/超临界萃取及其产物特征[J].华东理工大学学报：自然科学版，2016，42（4）：460-466.
　　[18] 黄华军，袁兴中，曾光明，等.污水厂污泥在亚/超临界丙酮中的液化行为[J].中国环境科学，2010，30（2）：197-203.
　　[19] 马智明.市政湿污泥亚/超临界水热液化制生物油实验研究[D].沈阳航空航天大学，2018.
　　[20] 赵文建，韩威，南鸽，等.不同溶剂和反应温度对污泥热液化制取生物质油性质影响研究[J].环境科学学报，2017（11）：4502-4211.
　　[21] 胡海杰.含油污泥热解催化剂及应用技术研究[D].西安石油大学，2018.
　　[22] 魏富.ZSM-5分子筛催化热解城市污泥过程中氮迁移规律的研究[D].中国矿业大学，2018.
　　[23] 周杨.不同催化剂对微波热解污泥产物分布规律的影响研究[D].深圳大学，2016.
　　[24] 謝胜禹，余广炜，李杰，等.污泥水热联合热解处理对固相产物中重金属的影响[J].环境工程学报，2018，12（7）：268-276.
　　[25] 宋明阳，李敏，袁溪，等.污水处理厂污泥磷形态及低温热解-碱解联合处理的释磷效果研究[J].环境工程，2018（1）：112-117.
　　[26] 李海英，张书廷，赵新华，等.城市污水污泥热解实验及产物特性[J].天津大学学报：自然科学与工程技术版，2006，39（6）：739-744.
　　[27] 方琳，田禹，武伟男，等.微波高温热解污水污泥各态产物特性分析[J].安全与环境学报，2008，8（1）：29-33.
　　[28] 郑键，张振宏，郑镇.浅谈微波辅助污水厂污泥热解制油技术[J].中国高新技术企业，2012（28）：61-64.
　　[29] 武伟男.城市污水污泥微波高温热解油类产物特性研究[D].哈尔滨工业大学，2007.
　　[30] 方琳，赵绪新，田禹，等.传统热源及微波热源热解污泥热重分析的对比[J].哈尔滨商业大学学报：自然科学版，2009，25（3）：296-300.
　　[31] 陈浩，左薇，张军，等.镍基催化剂对污泥微波热解制生物气效能的影响[J].环境工程学报，2014，8（3）：1150-1156.
　　[32] 邓文义，于伟超，苏亚欣.污泥微波热解过程中CaO、ZnCl2和水蒸气对富氢气体生成特性的影响[J].东华大学学报：自然科学版，2014，40（5）：624-632.
　　[33] 郭子逸，邵敬爱，王贤华，等.污泥微波热解过程重金属转化特性与风险评估[J].环境工程学报，2017，11（3）：1801-1806.
　　[34] Dufreche S，Hernandez R， French T， et al. Extraction of Lipids from Municipal Wastewater Plant Microorganisms for Production of Biodiesel[J].Journal of the American Oil Chemists' Society，2007，84（2）：181-187.
　　[35] Sawangkeaw R， Ngamprasertsith， Somkiat. A review of lipid-based biomasses as feedstocks for biofuels production[J].Renewable & Sustainable Energy Reviews， 2013，25（5）：97-108.
　　[36] Mondala A， Kaiwen Liang， Hossein Toghiani， et al. Biodiesel production by in situ transesterification of municipal primary and secondary sludges[J]. Bioresource Technology，2009，99（3）：1203-1210.
　　[37] Mondala A H， Rafael Hernandez， Todd French， et al. Enhanced lipid and biodiesel production from glucose-fed activated sludge： Kinetics and microbial community analysis[J].Aiche Journal，2012，58（4）：1279-1290.
　　[38] 王怡，冯莎，赵景婵，等.高碳氮比下生物污泥增脂制取生物柴油的研究[J].中国给水排水，2014（23）：24-28.
　　[39] 李植峰，张玲，沈晓京，等.四种真菌油脂提取方法的比较研究[J].微生物学通报，2001，28（6）：72-75.
　　[40] Lamichhane Upadhyaya K， Mondala， Andro， Hernandez， Rafael， et al. Biocrude production by activated sludge microbial cultures using pulp and paper wastewaters as fermentation substrate[J].Environmental Technolo-gy，2013，34（13-14）：2171-2178.
　　[41] Mondala A， Hernandez， Rafael， French， Todd， et al. Enhanced microbial oil production by activated sludge microorganisms from sugarcane bagasse hydrolyzate[J].Renewable Energy，2015（78）：114-118.
　　[42] 孙趣，李安婕，李美茜，等.含糖废水活性污泥制备生物柴油的方法探究[J].环境科学学报，2015，35（3）：819-825.
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