能源研究与管理2019（4）
综合论述
DOI：10.16056/j.1005-7676.2019.04.005
摘要：厌氧发酵是被广泛应用于城市污水处理厂剩余污泥处理的技术之一，向污泥厌氧发酵系统中投入外源添加剂可有效提高污泥厌氧发酵不同阶段的效果，提高污泥水解效率和能源转化效率。介绍了多种有助于促进污泥厌氧发酵的外源添加剂，并对其应用和研究前景做了展望，为优化污泥厌氧发酵工艺提供理论和技术基础，以期实现高效的污泥厌氧发酵产能。 关键词：添加剂；污泥；厌氧发酵
中图分类号：TK6文献标志码：A文章编号：1005－7676（2019）04－0017－
03
FU Jiaqi,LIN Min,YAN Bing,WU Jiujiu,XIA Song
（Institute of Energy,Jiangxi Academy of Sciences,Nanchang,330096,China
）
Anaerobic digestion is widely applied to the disposition of excess activated sludge produced in muni
cipal sewage plants.Adding additives into sludge anaerobic digestion system could effectively improve different stages of sludge anaerobic
digestion and improve the efficiency of sludge hydrolysis and energy conversion.Several kinds of additives promoting sludge
anaerobic digestion are introduced.The application and research prospects of additives are discussed,providing theoretical
and technical basis for optimizing sludge anaerobic digestion in order to realize efficient energy
productivity.
additive;sludge;anaerobic digestion
污泥厌氧发酵外源添加剂研究进展
付嘉琦，林敏，闫冰，吴九九，夏嵩
（江西省科学院能源研究所，南昌330096）
收稿日期：2019-08-20
基金项目：江西省重点研发计划项目（20171BBF60025）；江西省科技支撑计划项目（20151BBG70006）
作者简介：付嘉琦（1989—），南昌人，助理研究员，硕士，毕业于武汉大学，环境科学专业，主要研究方向：环境科学与工程。通信作者：夏嵩（1985—），南昌人，副研究员，博士，毕业于暨南大学，水生生物学专业，主要研究方向：生物质能源及藻类生物技术。
引言
随着城镇化步伐加快，城市污水处理厂的数量
逐年攀升，目前大多数污水处理厂采用的活性污泥
法工艺会产生大量的剩余污泥。剩余污泥一般含有
十二月党人
大量有机物、重金属和病原体，若未得到妥善处置
将严重威胁环境。为实现污泥的减量化、稳定化、
无害化、资源化，厌氧发酵被广泛应用于污泥处理。
污泥厌氧发酵可以有效使污泥减量化，还能产生可
代替传统化石燃料的甲烷，是一种经济且环境友好
的污泥处置方式。
有机物的厌氧发酵分为水解、酸化、乙酸化和
产甲烷4个阶段[1]。由于污泥中含有大量的高分子量
hfg化合物和复杂有机质，污泥厌氧发酵水解效率较低，
通常需要较长的发酵周期和较大的消化反应容器[2]。
目前已有研究从污泥预处理[3-4]、混合厌氧发酵[5]、使
用外源添加剂等方面着眼于提高厌氧发酵过程中污
相转移催化剂
泥的水解效率和能源转化效率。向污泥厌氧发酵系
17··
能源研究与管理2019（4）综合论述
统投入的外源添加剂包括生物添加剂、微量元素、吸附材料、其他添加剂等，具有污染小、无需苛刻操作条件等优点，从而备受关注。
本文综述了外源添加剂对污泥厌氧发酵影响的研究，并提出未来的研究重点和方向，为将外源添加剂应用于污泥厌氧发酵提供参考，以期实现更高的产甲烷效率。
1生物添加剂
向污泥厌氧消化系统中加入酶或细菌等生物添加剂，可以提高污泥水解效率或甲烷产生效率，同时可以避免产生毒性中间体并且与后续的生物反应过程具有很好的相容性[6]。YANG等[7]研究了α-淀粉酶和中性蛋白酶对污泥水解的影响，结果表明添加淀粉酶和蛋白酶分别使污泥水解效率提高54.24%和39.70%。MIAH等[8]发现向65℃污泥厌氧发酵系统加入少量的耐热地芽孢杆菌AT1可以使甲烷产量提高2.1倍。
2微量元素
补充产甲烷菌所需的微量元素，可以提高代谢中对应酶的活性，减少挥发性脂肪酸的积累，最终促进甲烷的生成，提高甲烷的产量[9]。微量元素Fe 是细胞中酶的重要组成成分，在污泥厌氧发酵中可为细菌提供电子，并提高耗氢微生物的活性和数量，对生物体至关重要[10]。此外，微量元素Ni是产甲烷菌细胞中F430的唯一金属成分，Co是酶F420的金属成分，对污泥厌氧发酵产甲烷起着重要的作用[11]。
ZHANG等[12]将纳米零价铁和Fe3O4纳米粒子作为外源添加剂投入到为期80d的污泥半连续厌氧发酵实验以及3d的批实验，当向半连续厌氧发酵实验中分别投入0.5g/L纳米零价铁和1g/L Fe3O4纳米粒子时获得最大累积产沼气量，同时为期3d的批实验结果表明纳米零价铁和Fe3O4纳米粒子均可以促进污泥水解酸化过程并最终促进甲烷产量。汪琪等[13]向污泥厌氧发酵系统中分别投加FeSO4·7H2O、单质Fe粉、生锈Fe钉，发现加入适量Fe2+能促进污泥厌氧发酵过程中辅酶F420的生成和微生物细胞破胞水解，表明对厌氧产甲烷过程有促进作用。张庆芳等[14]研究了微量元素Fe、Co、Ni、Mo对餐厨垃圾和剩余污泥混合原料厌氧消化的影响，发现4种微量元素对混合原料累计产气量的影响顺序为Co＞Fe＞Ni＞Mo，且在4种微量元素最佳配比组合下累计产气量达到15891mL。3吸附材料
生物炭是生物质在无氧条件下经热解炭化过程生成的一类高度芳香化固态物质，因表面含有大量OH、COOH官能团而呈碱性，添加到厌氧消化系统中可以提高体系pH值，缓解产酸阶段的酸积累，提高产甲烷效率[15]。SHEN等[16]将松木生物炭和白栎树生物炭分别作为添加剂投入污泥常温和高温厌氧发
酵过程，产甲烷效率均有所提高。
活性炭价格便宜，经常被用作污水处理中的生物载体或吸附剂。YANG等[17]向污泥厌氧发酵批实验反应器中投加5g颗粒活性炭，甲烷产量提高了17.4%，污泥减少量从39.1%提高至45.2%。
4其他添加剂
甄广印等[18]将氧化镁、氯化镁和改性剂按照一定比例配制成碱性添加剂，研究了其对污泥厌氧发酵产甲烷的影响，发现加量为1%时第35天的累计产气量是纯污泥的2.21倍并且污泥产甲烷速率得到了明显提高。WANG等[19]研究了聚羟基脂肪酸酯对污泥厌氧发酵产甲烷的影响，加入聚羟基脂肪酸酯后体系甲烷产量为197mL/g VSS，高于对照组的172mL/g VSS。WANG等[20]研究了不同剂量纳米零价铁、纳米银、纳米Fe2O3和纳米MgO对污泥厌氧发酵产甲烷的影响，发现当向厌氧发酵体系分别加入10mg/g TSS纳米零价铁、100mg/g TSS纳米Fe2O3、1mg/g TSS纳米Ag和1mg/g TSS纳米MgO 时，累计甲烷产量分别为217.16、212.43、187.39和183.95mL/g VSS，分别为对照组的120%、117%、103%和101%，当将纳米Ag和纳米MgO的质量分数分别提高至500mg/g TSS时累计甲烷产量又大幅度降低。
5复合添加剂
除了向污泥厌氧发酵体系中投入单一添加剂，一些复合添加剂组合因其具备更优的效果同样受到关注。ZHANG等[21]为克服单一生物炭因吸附机制产生的吸附限制性，以玉米秸秆生物炭搭载纳米零价铁作为外源添加剂加入到污泥厌氧发酵实验，发现当向150g污泥中投入2.5g复合添加剂时累积产甲烷量最高，为114.78L/kg VS，比未加入添加剂组高出115.39%，此外分别向厌氧发酵系统加入同等质量的复合添加剂和单一生物炭，复合添加剂组能够获得更高的累积甲烷产量。谢冰心等[22]研究了厌
18··
能源研究与管理2019（
4）综合论述
（下转第25页）
氧条件下单独添加柠檬酸钠、α-淀粉酶、中性蛋白
酶以及两者联合添加对污泥水解效率的影响，发现同时添加柠檬酸钠和酶时污泥的水解效率更高，柠檬酸钠的添加增大了酶活力，从而促进污泥固相中有机物的溶出。WANG 等[23]考察了不同零价铁和活性炭配比的复合添加剂对污泥厌氧发酵产甲烷和污泥降解的影响，发现当零价铁与活性炭配比为10∶1时获得最佳的甲烷产气效果，累计产甲烷量为132.1mL/g VS ，高出空白组37.6%。
6结语与展望
厌氧发酵作为被广泛应用于污泥减量化、资源化的技术受到诸多关注，针对厌氧发酵的4个阶段，不同类型的外源添加剂可被利用于提高甲烷产生效率。除了文本中探讨的已应用于污泥厌氧发酵的外源添加剂，一些其他外源添加剂在秸秆、粪便等原料的厌氧发酵中也表现出提升产甲烷效率的效果。今后可以从研究外源添加物对污泥厌氧发酵产甲烷的机理入手，尝试更多外源添加剂，并优化不同类型外源添加剂的组合，全方位提高厌氧发酵各个阶段的处理效率，以期获得更高的甲烷产气效率。参考文献淘宝10.11事变
[1]APPELS L,BAEYENS J,DEGREVE J,et al.Principles and
potential of the anaerobic digestion of waste-activated sludge [J].Progress in Energy and Combustion Science,2008,34(6):755-781.
[2]NEUMANN P,PESANTE S,VENEGAS M,et al.Developm-ents in pre-treatment methods to improve anaerobic digestion of sewage sludge[J].Reviews in Environmental Science and Bio-Technology,2016,15(2):173-211.
[3]ANJUM M,AL-MAKISHAH N,BARAKAT M A.Wastewa-ter sludge stabilization using pre-treatment
methods[J].Proc-ess Safety and Environmental Protection,2016,102:615-632.[4]CARRERE H,DUMAS C,BATTIMELLI A,et al.Pretreatm-ent methods to improve sludge anaerobic degradability:a revi-ew[J].Journal of Hazardous Materials,2010,183(1/3):1-15.[5]DAI Xiaohu,CHEN Yang,ZHANG Dong,et al.High-solid
anaerobic co-digestion of sewage sludge and cattle manure:the effects of volatile solid ratio and pH[J].Scientific Reports,2016,6.DOI:10.1038/srep35194.
[6]PARAWIRA W.Enzyme research and applications in biotech-nological intensification of biogas production[J].Critical Revi-ews in Biotechnology,2012,32(2):172-186.
[7]YANG Qi,LUO Kun,LI Xiaoming,et al.Enhanced efficiency
of biological excess sludge hydrolysis under anaerobic digest-
ion by additional enzymes[J].Bioresource Technology,2010,101(9):2924-2930.
[8]MIAH M,TADA C,SAWAYAMA S.Enhancement of biogas
production from sewage sludge with the addition of Geobacill-us sp.strain AT1culture[J].Japanese Journal of Water Treat-ment Biology,2004,40(3):97-104.
[9]何荣玉，刘晓风，袁月祥，等.沼气发酵外源添加物的研究进
展[J].中国沼气,2007,25(5):8-10,31.
[10]MELTON E D,SWANNER E D,BEHRENS S,et al.The
interplay of microbially mediated and abiotic reactions in the biogeochemical Fe cycle[J].Nature Reviews Microbiology,2014,12:797-808.
[11]任南琪，王爱杰.厌氧生物技术原理与应用[M].北京：化学
工业出版社,2004.
[12]ZHANG Yanru,YANG Zhaohui,XU Rui,et al.Enhanced
mesophilic anaerobic digestion of waste sludge with iron na-noparticles addition and kinetic analysis [J].Science of the Total Environment,2019,683:124-133.[13]汪
琪，杨厚云，姚
亮.Fe 对城市剩余污泥厌氧发酵的
影响研究[J].洛阳理工学院学报(自然科学版),2018,28(4):1-7.
[14]张庆芳，张婷婷，陈吉祥，等.添加四种微量元素对餐厨垃
圾和剩余污泥联合厌氧消化的影响[J].兰州理工大学学报,2017,43(4):77-80.[15]刘玉学，刘
微，吴伟祥，等.土壤生物质炭环境行为与环
境效应[J].应用生态学报,2009,20(4):977-982.
[16]SHEN Yanwen,LINVILLE J L,IGNACIO-DE L,et al.Tow-ards a sustainable paradigm of waste-to-energy process:Enh-anced anaerobic digestion of sludge with woody biochar[J].Journal of Cleaner Production,2016,135(1):1054-1064.[17]YANG Yafei,ZHANG Yaobin,LI Zeyu,et al.Adding granu-lar activated carbon into anaerobic sludge digestion to prom-ote methane production and sludge decomposition[J].Journal of Cleaner Production,2017,149(15):1101-1108.
[18]甄广印，陆雪琴，汪宝英，等.碱性添加剂对污泥厌氧发酵
产甲烷的影响[J].环境卫生工程,2012,20(4):1-4.[19]WANG Dongbo,ZHAO Jianwei,ZENG Guangming,et al.
How does poly(hydroxyalkanoate)affect methane production from the anaerobic digestion of waste-activated sludge?[J].Environmental Science and Technology,2015,49:12253-12262.
[20]WANG Tao,ZHANG Dong,DAI Lingling,et al.Effects of
Metal Nanoparticles on methane production from waste-acti-vated sludge and microorganism community shift in anaero-bic granular sludge[J].Scientific Reports,2016,6.DOI:10.1038/srep25857.
咸阳偏转集团公司[21]ZHANG Min,LI Jianhua,WANG Yuncai.Impact of bioch-ar-supported zerovalent iron nanocomposite on the anaerobic
19··
能源研究与管理2019（
4）研究与探讨
digestion of sewage sludge [J].Environmental Science and Pollution Research,2019,26:10292-10305.[22]谢冰心，罗
琨，杨
麒，等.络合剂对剩余污泥厌氧酶水
解的影响研究[J].环境科学学报,2011,31(8):1699-1705.[23]WANG Tongyu,QIN Yujie,CAO Yan,et al.Simultaneous
addition of zero-valent iron and activated carbon on enhanc-ed mesophilic anaerobic digestion of waste-activated sludge [J].Environmental Science and Pollution Research,2017,24(28):22371-22381.
（上接第19页）
（上接第6页）
2010(9):68-69.
[7]国家质量监督检验检疫总局，国国家标准化管理委员会.企
业安全生产标准化基本规范:GB/T 33000—2016[S].北京：北京：中国标准出版社,2016.
[8]国家安全监管总局.企业安全生产责任体系五落实五到位
周荣汉规定(安监总办[2015]27号)[EB/OL].(2015-03-16).
news.hexun/2015-03-19/174209358.html.
[9]王劲松.全面落实企业安全主体责任切实提高企业本质安
全度[EB/OL].(2009-06-15).www.doc88/p-5761005915487.html.
[10]周卫红.安全文化建设的难点[J].电力安全技术,2006,8
(10):59-60.
条件，LFG 能够作为调峰气源使用缓解天然气的供
需高峰。
3）参考现有的沼气发电项目，LFG 入网具有良好的经济效益，年收益可达1931.58万元，同时，具有显著的社会效益和环境效益。参考文献
[1]石
磊，赵由才，唐圣钧.垃圾填埋沼气的收集、净化与利用综述[J].中国沼气,2004,22(1):14-17.
[2]王国栋，仉志强，李有森，等.垃圾填埋气净化利用集成系统
工艺研究[J].中国沼气,2017,35(3):62-65.
[3]周效志，桑树勋，曹丽文，等.我国垃圾填埋气资源化现状与
对策研究[J].可再生能源,2012,30(2):91-94.
[4]赵伟.沼气掺混天然气使用的互换性问题研究[D].重庆:
重庆大学,2013:8-11.[5]赵
宏，金洛楠，周华珍，等.天子岭水资源再生利用中心工程方案、初步设计[R].杭州：杭州市城乡建设设计院股份有限公司,2018.
[6]朱世勇.环境与工业气体净化技术[M].北京：化学工业出版
社,2001.
[7]杨卫国，白庆中.常压下多胺法净化填埋沼气半工业试验研
究[J].环境工程,2003,21(2):40-44.
25··
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议