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近年來隨著城市化進程的加速和城市人口的大量增長，城市生活污水排放量和城市污水廠負荷也隨之不斷增加。2014年，我國的城鎮污水處理能力已經達到 1.57億m 3/d，較2013年新增約800萬m3/d。活性污泥法是我國常見的污水處理方式，由此導致大量的污泥產生，預計到2020年我國污泥年產量將突破6 000萬t。傳統的市政污泥處理處置方式主要是衛生填埋、焚燒和土地利用等。隨著國家有關食品安全、農業及污泥處置規范中對生物固體在農業中的應用標準及環境保護標準的日益嚴格，污泥的傳統處理處置方式受到了限制，因此污泥的資源環境問題日益突顯。
污泥中有機物含量較高，可以生產沼氣、生物燃料(氫氣、合成氣、生物柴油等 )等一系列能源物質，因此對污泥中能源物質的回收利用引起了人們的關注。為此，本文綜述當前國內外對污泥中能源物質回收利用的現狀，探討有關特點和問題，并試圖展望未來的發展方向。
1、污泥中能源物質的性質和特點
污水廠污泥是一類含有微生物，未消化的有機物如紙、植物殘渣、油、排泄物等，無機物及水分的復雜的非均質混合物。通過分析污泥的物理化學性質，可以更有針對性地對其有用組分進行回收利用。污泥中的有機成分是能源利用關注的重點。表1列出了未經處理和經消化后的污泥的物質組成。
由表1可見，污泥的熱值較高，能夠進行熱能利用產能，但同時需注意污泥中有毒有害物質的二次污染問題。
2、污泥中能源組分的回收利用
2.1 污泥消化產沼氣
污泥厭氧消化技術應用較為廣泛，但常規厭氧消化工藝存在污泥降解率低，停留時間長及沼氣產氣率低等問題，且其處理的污泥含固率通常較低(3%~5%)，需要設備體積大，增加了資金投入。針對以上問題，國內外學者一方面通過改善污泥厭氧消化性能，提升沼氣產率，同時針對高含固率污泥厭氧消化技術開展了各類應用型研究。
Zhang等將豬糞與脫水的污泥以2：1進行混合厭氧消化使甲烷的產率提升了 82.4%。另外有實驗研究表明污泥與廚余垃圾混合處理可在一定程度上改善厭氧消化性能，提升沼氣產氣率。污泥中微生物細胞壁的水解過程是厭氧消化的限速階段，通過對污泥進行預處理可以破壞微生物細胞結構，提升厭氧消化速率。 xie等的研究表明經超聲處理后污泥消化的產氣量得到提高。另外，污泥經熱水解超聲聯合預處理后厭氧消化產氣性能相較于單獨熱水解及單獨超聲預處理均得到了明顯的提升。
高含固率污泥厭氧消化工藝因具有產氣效率高、處理負荷高、設備體積小、投資低等優勢成為近期研究熱點。吳靜等研究了熱水解(70℃)一高溫厭氧消化工藝處理高含固率(8%～9%) 剩余污泥(中試)的效果 ，該工藝有機物去除率及甲烷產率與傳統污泥厭氧消化工程相當。通過優化高含固率污泥厭氧消化工藝條件參數(C/N、接種量、攪拌頻率等)，或對污泥進行熱堿預處理等均可得到較高的產氣量和較好的消化效果。當前我國需在工程設計與運行方面對高固污泥消化進行充分研究，以實現其工業化應用。
2 .2 污泥轉化為生物燃料
2.2.1 由污泥生產氫氣
污泥制氫采用的方法有生物法 (生物發酵 )和熱化學法。生物發酵制氫技術的研究主要集中于對各類預處理方法、發酵影響因素的探索及污泥與有機廢棄物混合發酵制氫。通過對污泥進行預處理，既能篩選產氫菌，又能破碎污泥細胞，提高有機物的可利用性，增加產氫量。Kim等研究了不同預處理方法對消化污泥單獨制氫及污泥與食物殘渣混合制氫的效果的影響。利用城市有機固體廢棄物與污泥共同發酵也能得到較高的氫產量。當前的研究大部分基于間歇培養實驗，而連續產氫是實現污泥生物發酵制氫工業化的基礎。M assanet— N icolau等在一個連續進料生物反應器中將水力停留時間控制為24 h，實現了3 d連續穩定產氫。如何提升污泥連續產氫能力及產氫穩定性是今后污泥生物制氫研究的關鍵問題。
污泥熱化學法制 氫包括熱解、氣化等。研究表明污泥含濕量越大，溫度越高，越有利于氫氣的生成。超臨界水(SCW )因具有極強的氧化力和融合力等特性被用于污泥的氣化產氫研究中。超臨界水氣化 (SCWG )不僅能獲得較高的轉化率，且對于含水率較高的底物無需進行干燥。 xu 等的實驗表明水分含量76.2～ 94.4wt%的污泥能夠在超臨界水中直接氣化。表2總結了部分研究者們利用污泥在超(亞)臨界水中進行氣化產氫的實驗結果。
比較SCWG法與厭氧消化法處理初沉污泥發現前者運行過程所需輸人的能量大于后者。通常當污泥固體濃度高15%時，進行SCWG制氫的工業應用才具有實際意義。SCWG制氫是一種很有發展前景的污泥能源化技術，但現階段仍需加強試驗研究，優化反應條件，研制高效催化劑，提高產氫效率的同時降低運行能耗。
2.2-2 由污泥生產合成氣
合成氣是H與CO的混合氣體。合成氣不僅可以作為能源氣體產熱發電，還能作為原料進一步合成醇、醚、烴類等化工產品。制備合成氣的傳統方法為以傳導加熱方式為主的熱裂解技術，但通常存在熱效率低，合成氣比例小等缺陷，因而可采用微波加熱法來提高熱解效率。微波能夠直接作用于分子或原子傳遞能量，可極大地降低傳熱阻力，具有穿透速率快，熱解效率高，耗時少，節省能源等優點。Dominguez等利用微波加熱高溫熱解污泥，合成氣比例最大可達66%，高于傳統加熱熱解法。另外有實驗研究表明在污泥中加入高吸波物質如活性炭、碳化硅等可以提高污泥的加熱溫度和加熱效率，增加合成氣在氣體產物中的比例。
目前污泥熱解產合成氣的研究主要集中于增加合成氣比例及產氣量的工藝條件優化上，而對污泥中含氮、含硫物質的反應轉化機制、釋放規律等研究則較少。熱解過程中含氮、含硫氣體的釋放不僅會降低合成氣的品質，還會造成二次污染，因此對這些物質的產生機制進行分析并提出污染控制措施是今后的研究重點。
2.2.3 由污泥生產生物柴油
生產生物柴油的原料通常為植物油或動物脂肪，植物油較為昂貴，僅原料成本就占生物柴油生產成本的7O%~85%t。 污泥數量多，來源廣，且含有較多的油脂，可作為制備生物柴油的原料。圖 1展示了由污泥制備生物柴油的一般流程。
污泥制備生物柴油分一步法 (原位法 ) 和兩步法，一步法是由污泥直接進行轉酯化，兩步法是用溶劑提取污泥中的油脂后再進行轉酯化。Dufreche等發現原位法得到的生物柴油產率高于兩步法。白小娟的實驗結果表明初沉污泥、二沉污泥和浮渣污泥經兩步法得到的生物柴油產率均明顯低于原位酯基轉移法。這是由于污泥微生物細胞中含大量脂質，提取劑很難將其提取出來，因此需要對污泥細胞進行破壁處理。常用的破壁方式有菌株自溶法、超聲破碎法、高壓均漿破碎法、化學破碎法、微波破碎法、酶處理法、凍融法等。Mondala 等探究了影響原位法制備生物柴油產率的因素，得到產率最大化條件。表3對比了采用不同方法在不同條件下污泥制生物柴油的產率。
目前關于污泥制生物柴油條件最優化的研究較多，而對于如何增加污泥本身的油脂含量則關注較少。有研究表明通過對污泥進行特定培養可以增加污泥脂質含量，當培養液中C/N 為 70：1 時生物柴油產率為原污泥的4.6 倍。另外，在污水中添加產油微生物也是今后污泥增脂研究關注的方向之—。
2 .3 微生物燃料電池(MFC )污泥產電
MFC技術的污泥利用方式分為污泥直接作底物產電和污泥預處理后產電兩種。 趙慶良、賈斌 、鄭蟯等直接以污泥為底物成功啟動了微生物燃料電池，實現了污泥降解和同步產電。現階段的研究表明，直接利用污泥進行MFC產電可得到400～700 mV 的電壓及40～250 mW/m或 3～30 W/m3的輸出功率密度。影響MFC產電性能的因素有離子添加劑的種類及投加量、DH值、電池陽極面積、陰陽極間距、陰極材料、溶解性化學需氧量(SCOD) 等，通過對這些因素進行探究可以提高MFC的產電電壓及輸出功率密度。
污泥中的有機物大部分是細胞物質，細胞壁阻擋了產電微生物對細胞內部有機物的利用，限制MFC的產電效率，因此需對污泥進行預處理，破壞細胞壁，提高溶解性有機質的濃度。當前研究中的預處理方式有微波處理、超聲波處理、表面活性劑處理、酶處理、加熱處理、堿處理等，與直接采用污泥作為燃料相比，其 MFC輸出功率密度均得到提高。表4對比了以污泥為燃料的各類M FC的產電效果 。
目前以污泥為燃料的MFC產電研究面臨的問題有：(1)MFC的電壓及輸出功率密度太低，穩定性不高;(2 ) 污泥降解率低，減量化效果有待提升;(3 )污泥中有害物質轉化機制未明確; (4 ) 污泥進行MFC產電后剩余物質的處置問題;(5 )制作MFC的陰極材料、膜材料和陰極催化劑較為昂貴，MFC 造價較高。 因此，今后需加強對污泥MFC產電特性及基質變化的研究，尋找合適的污泥預處理方法提升污泥降解率，研制高效廉價的陰極材料及膜材料降低MFC成本。
2.4 污泥協同焚燒
將污泥脫水后焚燒處理既實現了污泥的減量化，同時還能以熱能或電能的形式進行能源的回收利用，是目前應用較多的污泥處置方式。 但污泥直接燃燒耗能大，設備復雜，且會產生粉塵、二嗯英、重金屬、酸性氣體等，對環境危害較大。因而當前的研究多集中于污泥的協同焚燒處置，包括燃煤電廠污泥協同焚燒、水泥窯污泥協同焚燒和垃圾焚燒廠污泥協同焚燒等，其中又以水泥窯協同處置的研究 較多。
水泥窯協同焚燒污泥具有有機物分解徹底、抑制二嗯英形成、不產生飛灰、固化重金屬等特點，同時污泥可以代替燃煤用于水泥熟料煅燒，實現對污泥熱值的有效利用。用污泥生產水泥可以降低14 %的生料用量， 同時減少約70 %的化石燃料消耗。國內外學者針對污泥摻燒量、污泥摻燒對熟料及環境的影響等對水泥窯污泥協同焚燒開展了廣泛的研究。張智等研究發現摻加污泥對水泥熟料的性能沒有產生影響。另外有研究表明當污泥摻量在6 % ~12 %時都能得到合格熟料，且污泥的摻入對生料的易燒性起到了改善的作用。Rodrigue等發現污泥的加入降低了水泥中游離氧化鈣的含量。水泥窯協同焚燒污泥的環境影響主要包括污泥烘干時產生惡臭氣體，水泥生料促進污泥和煤燃燒過程中燃料型NOx 的生成，高揮發金屬元素隨煙氣排出污染大氣等。今后的研究需重點關注污泥烘干廢氣及協同焚燒煙氣污染物的排放及控制。
3、結語
污泥的處理處置是當前城市污水處理廠面臨的主要問題之一，對污泥進行能源化利用現已取得定的研究成果。污泥厭氧消化產沼氣已實現了工業應用，但相對于國外成熟的工藝技術，我國仍需對厭氧消化工藝，尤其是高含固率污泥厭氧消化工藝的工程設計及運行方面進行深入研究。污泥生物發酵制氫耗能少，成本低，但目前對連續產氫的研究還未取得較好的成果。熱化學法污泥制氫轉化率較高 ，但設備體積大，能耗高，必須優化熱解氣化條件，研制高效催化劑，提升氫產率的同時降低能耗。熱化學法制氫及合成氣需對目標產物進行凈化，去除污染氣體。污泥制生物柴油和MFC污泥產電技術的研究尚處于起步階段，但二者的應用前景極其廣闊。增加污泥脂質含量，優化油脂提取及轉酯化條件，提高生物柴油產量，降低成本是污泥制生物柴油的研究重點。MFC技術則需要通過對電池構型、電極材料、膜材料、污泥預處理方法等進行優化來提升輸出電壓及輸出功率密度，并實現電能的穩定輸出，以滿足實際應用需求。另外，兩者都存在污泥后續處置問題。水泥窯協同焚燒污泥發展潛力巨大，但對煙氣污染物的排放及控制研究仍需加強。
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