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城市污水处理厂污泥醇化制取生物柴油的研究现状
更新时间:2016-12-01 来源:《中国给水排水》 作者:王怡,冯莎,白小娟,夏四清,彭党聪

摘要:污水污泥作为污水处理的副产物,一直以来被作为废物进行处理处置,其高处理成本成为城市污水处理厂运营的沉重负担。然而,污水厂污泥含有较高的脂质,这些脂质可以通过醇化转化为生物柴油的主要成分脂肪酸甲酯。生物柴油作为清洁燃料,对环境友好,是一种绿色能源。从生物柴油的原材料现状出发,分析了以城市污水处理厂污泥为生物柴油原材料的可行性、影响污泥制取生物柴油产率的因素以及目前污泥制取生物柴油的经济成本,最后阐述了污泥制取生物柴油目前存在的问题和前景。

随着汽车工业的快速发展,石油能源受到了前所未有的挑战,地球上的石油储量正在快速减少[1]。由于石油能源不可再生,所以寻找可替代的再生能源成为人们努力解决的问题。在此契机下,可再生的、不破坏环境的、成本合理的可替代能源成为研究开发的重点,生物柴油正是在此形势下应运而生。

生物柴油作为一种清洁的可再生能源,对环境友好,可以减轻汽车工业发展对大气环境的污染及对气候的影响。然而,目前生物柴油制取过程中最大的挑战来自于原材料,从生物柴油原材料困境出发,综述了以城市污水处理厂污泥为原材料通过化学醇化方法制取生物柴油的研究现状,以期为城市污水处理厂污泥资源化及生物柴油新原料开发提供有价值的参考。

1 生物柴油原材料现状

生物柴油生产最初的原料是植物油,例如美国采用大豆油、欧洲采用菜籽油和葵花籽油、东南亚采用棕榈油、菲律宾采用椰子油等制取生物柴油。然而,这些高含油量植物的种植不仅占用了大量耕地面积[2],而且大量用于生物柴油生产的植物油消耗导致了其与食用油生产的冲突,因此,当以精炼植物油制取生物柴油时,原料成本相当昂贵,占到生物柴油总生产成本的70% ~ 85%[3,4]。

为了克服以上弊端,美国能源部从20 世纪70年代开始,在Biofuels 项目资助下,首先开发研究了用于生物柴油生产的微藻( microalgae) [5]。微藻含油量高,生长环境要求不严,生长速度快且可以吸收二氧化碳,可种植区域广泛并可以在一定程度上减少温室气体,所以微藻种植对环境有一定的良性影响,在美国、日本等国家曾受到过鼓励。Behzadi 等通过几种生物柴油原材料的研究比较,认为高含油量微藻作为生物柴油制取的生物质源,可能会降低生物柴油的生产成本[6]。然而,Zhang 等[7]评估了利用微藻生产生物柴油的能量平衡,认为培养条件、碳源和季节等都将影响微藻制取生物柴油的成本。

实践表明,由于高油脂含量的微藻培养需要成本较高的设备、大量的氮肥和水,而且收获微藻并提取其中的油脂也相当耗能[8],因此,高额费用至今仍是制约以微藻制取生物柴油应用的巨大障碍[5]。

另一种有吸引力的生物柴油原材料是厨房废油。由于厨房废油作为生物柴油原材料具有成本低廉、可使废物得到充分利用、有利于环境保护等优点,Canakci 提出采用厨房废油作为生物柴油生产的原料[9]。但是,厨房废油作为生物柴油原料,除了产量小且不稳定外,还存在品质不一的问题,因此,处理工艺繁琐且生物柴油的粘稠度不易控制[10 ~ 12]。

综上所述,寻找稳定可靠而又廉价的生物柴油原料,对于生物柴油行业的发展非常紧迫。鉴于此,美国密西西比州立大学化工系的研究者们于2004年提出了以污水处理厂的污泥作为生物柴油原材料,在此基础上许多研究人员通过大量工作,表明以污水处理厂的污泥作为生物柴油的原材料,具有一定的可行性。

2 城市污泥作为生物柴油原材料的可行性

2. 1 污泥中脂的来源和含量

城市污水处理厂污泥中脂的来源主要来自于生活污水中的动植物油和工业废水中的石油类,通过分析西安市某污水处理厂进水中动植物油和石油类连续一年的监测数据,发现进入污水处理厂的油脂中动植物油月均值为8. 75 mg /L,石油类月均值为9. 15 mg /L,总油脂月均值为17. 90 mg /L。根据《城镇污水处理厂污染物排放标准》( GB 18918—2002)的一级A 标准,污水厂出水中动植物油和石油类浓度均小于1. 0 mg /L,即进入污水处理厂的油脂,平均88. 8%被去除。

实际上,由于油脂的生物降解速率较低[13],污水中大多数的油脂最终吸附到了污泥的表面。早在1959 年,Loehr 就指出,城市污泥中含有大约20%可溶于乙醚的油脂和脂肪。另一方面,作为污水处理厂固废主要来源的剩余污泥,含有大量的微生物,微生物的细胞膜主要由磷脂质组成,其质量可占污泥干质量的24%[14],这些也是生物柴油的可用原料。

Jardé 等人研究了48 种来自不同污水处理厂的污泥,发现由脂肪酸和类固醇组成的极性物质可以占到干污泥的36. 8%[15]。1992 年Boocock 等人用沸腾提取法从污泥中提取到18% ( wt) 的脂质,其中65%是游离脂肪酸。Huynh 等[16]在超临界水预处理条件下提取和分析了污泥中的中性脂,发现污泥中至少有14 种脂肪酸,主要为长链饱和脂肪酸和单链不饱和脂肪酸,其中最主要的脂肪酸为棕榈酸( 19% ~ 27%) 、棕榈油酸( 15% ~ 20%) 和油酸异构体( 20% ~ 33%) 。本课题组通过沸腾提取法对西安市两个城市污水处理厂的污泥进行提取,发现浮渣污泥的油脂含量可以达到33. 3%。

因此,城市污水处理厂污泥中脂质含量相当可观,这些脂质为污泥转化为生物柴油提供了必要的物质基础。

版权、出处:《中国给水排水》

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