文献速览 | 污水污泥与松木屑共混水热碳化耦合废水厌氧消化工艺的能量回收效益优化

2022-10-29 03:32:05 浙江福立分析仪器有限公司

文章题目：Energy yield optimization of co-hydrothermal carbonization of sewage sludge and pinewood sawdust coupled with anaerobic digestion of the wastewater by product(污水污泥与松木屑共混水热碳化耦合废水厌氧消化工艺的能量回收效益优化)

第一作者：王睿坤

通讯作者：尹倩倩

通讯单位：华北电力大学

论文DOI：10.1016/j.fuel.2022.125025

关联仪器：GC9790Plus

发表期刊：Fuel(SCI I区)(IF 8.035)

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0016236122018671

PART 1

全文背景

全球化石燃料储量正在剧烈消耗，且化石燃料燃烧导致了严重的温室效应和环境污染问题。以传统化石燃料为主的能源结构已经无法满足全球经济绿色发展的要求。因此，寻找合适的可再生能源替代化石燃料成为调整能源结构的主要任务。

污水污泥(SS)作为废水处理工艺的主要副产品，含有大量的有机物、微生物、重金属和难降解污染物，未经妥善处理时会产生严重的环境危害。SS中丰富的有机物为其提供了能源利用的潜力，然而SS水分含量较高(约80%)，脱水性能差，对湿SS的处理造成严重障碍。水热碳化技术(HTC)是在一定温度(180-290℃)和自生压力(2-10 Mpa)下，利用亚临界水的强溶解性和反应活性，将有机物质转化为固体生物燃料(Hydrochar)，其可成为化石燃料的替代能源。但是由于SS本身灰分含量较高，使得HTC无法有效提升SS水热炭的热值。研究表明，污泥水热炭的高位发热量（HHV）仅为5-22 MJ/kg，而玉米秸秆、番茄皮、橄榄壳和松木锯末等木质纤维素生物质的水热炭具有较高的HHV (16-35 MJ/kg)。因此，一些学者考虑将SS与木质纤维素生物质进行共混水热碳化(co-HTC)，从而获得较高热值和燃料性能良好的水热炭，进而改善水热炭的燃料品质以及提高能量转化回收率。

尽管HTC可以显著提升原料的燃料性能，但原料中30%以上有机物会降解并溶入水热碳化废水(HTCWW)中，导致HTCWW的有机物浓度很高，其化学需氧量(COD)可达10.0-111.8 g/L。较高的有机物含量使得HTCWW的处理难度较大，如不对其进行回收处理还会造成原料有机能量的损失。为回收HTCWW中的有机物质，一些学者对HTCWW进行厌氧消化(AD)处理，废水COD去除率可达40%-79.6%，甲烷产率可达到304.16 mL-CH₄/g-COD。

由上可见，HTC反应条件不仅会关系到水热炭的质量产率和燃料性能，而且对HTCWW的产甲烷潜力也有较大的影响。然而大多的研究着重于HTC的固相水热炭及其特性的影响，多项水热碳化条件对HTCWW厌氧消化性能的相互影响还缺乏清晰的研究，此外，针对SS与木质纤维素生物质共混水热碳化耦合废水厌氧消化工艺及其能量转化特性还未探明。研究SS和木质纤维素生物质等有机废弃物水热碳化耦合废水AD的能量转化及平衡规律、探明HTC反应条件对总能量产率的影响，对于有机废弃物的可再生能源转化和清洁利用具有重要的科学价值。

PART 2

全文亮点

1、选择污水污泥（蛋白质生物质）和松木屑（木质纤维素生物质）进行共混水热碳化

2、对水热碳化废水进行厌氧消化工艺处理以产甲烷的形式回收能量

3、水热碳化温度对总能量回收率的影响显著

4、在水热碳化温度190℃和松木屑占比75%时能量回收率最大

5、水热炭和甲烷的能量产量可达86.46%和3.15%

PART 3

关联仪器

本文使用气相色谱仪GC9790Plus对污水污泥与松木屑共混水热碳化废水进行厌氧消化过程中产生的沼气进行分析以获得其甲烷含量并进行理论分析.

PART 4

全文概述

本文以污水污泥(SS)和松木屑(PS)的混合物为原料，采用响应面分析法，研究了co-HTC-AD工艺的能量回收效益及运行参数优化。运行条件包括PS占比、原始给料液固比、水热碳化温度和反应时间。

图1 HTCWW的VFAs浓度。(a)2^k个立方点工况；(b)2k个轴向点和n个中心点(k=4,n=6)工况

图1分析了污泥和松木屑共混水热碳化废水中挥发性脂肪酸（VFAs）含量。VFAs是原料挥发性有机物的水解产物，包括乙酸、丙酸、丁酸、戊酸等。当对水热碳化废水（HTCWW）进行厌氧消化（AD）处理时，这些VFAs为微生物代谢提供了初期底物，在微生物作用下转化为乙酸、H₂、CO₂，并进一步在乙酸型和氢营养型甲烷菌的作用下转化为甲烷。因此，HTCWW中VFAs的浓度及组成对其厌氧消化快速启动及甲烷产量具有密切的影响，为此本文测定了HTCWW中乙酸、丙酸、丁酸和戊酸的浓度。各HTCWW样品的VFAs浓度在837.54 mg/L至2742.94 mg/L之间，其中乙酸占主导地位，其浓度范围为542.27-2040.23 mg/L。

图2 厌氧消化过程中发酵液的COD变化(a)2^k个立方点,(b)2k个轴向点和n个中心点(k=4,n=6)

在AD过程中，HTCWW的有机物逐渐被微生物转化和消化，因此，研究COD去除率可以用以评价HTCWW的AD性能。如图2所示，各组废水的COD均呈下降趋势，尤其在AD开始的1至2天内的下降速率较快，表明微生物可以较快适应HTCWW环境，并利用其中易消化的有机物产出沼气。

图3 水热碳化废水厌氧消化过程的累积甲烷产量(a)2^k个立方点,(b)2k个轴向点和n个中心点(k=4,n=6)

图3显示了不同HTCWW在AD过程中的累积甲烷产量，研究水热碳化温度、反应时间、原料液固比、PS占比对累计甲烷产量的影响。在AD过程中，产甲烷菌消耗VFAs产生沼气，但是过量的VFAs积累会对产甲烷菌有抑制作用，产酸速率和产甲烷速率不平衡导致每日沼气产量出现较大波动。随着废水中易于消化的有机物逐渐被产酸菌和产甲烷菌代谢耗尽，在第13天左右，每日沼气产量持续下降至AD结束。

图4 响应面图水热碳化条件对HTCWW厌氧消化时甲烷产率的影响(a)PS占比和HTC温度(b)PS占比和液固比(c)PS占比和反应时间(d)HTC温度和液固比(e)HTC温度和反应时间(f)液固比和反应时间

图4以响应面图形式显示出水热碳化条件对HTCWW厌氧消化时甲烷产率的交互影响。甲烷产率最高为311.45 mL-CH₄/g-COD (HTCWW-0-220-10-2)，最低为77.86 mL-CH₄/g-COD (HTCWW-25-250-13-3)。

图5 响应面图水热碳化条件对总能量产率的影响(a)PS占比和HTC温度(b)PS占比和液固比(c)PS占比和反应时间(d)HTC温度和液固比(e)HTC温度和反应时间(f)液固比和反应时间

图5以响应面图的形式显示了水热碳化条件对总能量产率的交互影响。总能量主要是以水热炭和甲烷两种生物能形式回收，最高达到97.3%，而最低61.95%。根据响应面图可以分析不同水热碳化反应条件对总能量产量的交互作用并进行分析优化。

图6 RSM法预测值和实验值

为了使水热碳化耦合AD工艺获得最高的能量效益，通过能量产率回归方程得出100个运行方案，对比分析得到使水热炭产率、热值、甲烷产率和总能量产率达到最大值的最优运行方案，即PS占比为75%，HTC温度190℃，液固比7：1和反应时间3 h。最佳条件下的预测响应值：HCY为82.795%，HHV为16.633 MJ/kg，甲烷产率为243.540 mL-CH₄/g-COD，总能量产率为93.424%。在这一优化条件下开展三次验证实验，取3次重复实验的平均值，结果如图6所示。实验得到的HCY为81.24%，HHV为16.44 MJ/kg，甲烷产率为255.64 mL-CH₄/g-COD，总能量产率为89.61%，其中，水热炭和甲烷的能量产率分别为86.46%和3.15%。实验值与预测值的误差在5-10%以内，表明响应面模型具有较好的预测能力。