配备氨气脱除系统的再生增稠装置，用于提升热水高固体污泥的嗜热和嗜中性消化效果

《Journal of Environmental Management》：Recuperative thickening equipped with ammonia stripping system to upgrade thermophilic and mesophilic digestion of hydrothermal high-solid sludge

高固体厌氧消化通过循环增稠和氨 stripping耦合工艺显著提升产气效率与污染物去除率，其中循环增稠单独使用虽不影响产气但降低挥发性固体浓度，而结合氨 stripping有效缓解热力学系统抗冲击能力下降问题，最终实现系统稳定性与综合性能的协同优化。

　　

摘要

为了进一步提升高温固含量厌氧消化处理效果，本研究将回收式增稠（RT）和氨气脱除（AS）技术与原位沼气自循环系统相结合，以实现连续运行。设置了四个消化池，包括嗜热系统和嗜温系统，并分别进行了带有RT和不含RT的对照实验。这些系统在有无AS辅助的条件下进行了测试。研究发现，在较长的水力停留时间下，单独使用RT对沼气产量影响不大，但可使出水中挥发性固体含量降低约26.0%。RT提高了嗜温系统的抗冲击能力，却加剧了嗜热系统中有毒物质的积累。鉴于氨抑制现象的存在，引入AS技术以发挥其将有机酸转化为甲烷的优势，最终使嗜热系统的甲烷产量和有机物去除效果恢复到与嗜温系统相当的水平。综合RT和AS技术后，显著提高了甲烷产量、污染物去除率以及系统的稳定性。

引言

污泥是污水处理厂的主要副产品，其处理成本可能占到整个污水处理厂运营成本的一半（Khawer等人，2022年）。传统上采用厌氧消化（AD）技术，利用厌氧微生物分解有机物来处理污泥。由于该过程可以产生具有商业价值的能源产品（如氢气或甲烷），且处理后的污泥富含营养物质可再次利用，因此在一定程度上可以弥补污泥处理的成本（Gahlot等人，2022年；Wang等人，2023年）。近年来，随着工业化和城市化进程的加快，污泥产量不断增加，人们提出了高温固含量厌氧消化（HSAD）技术（Duan等人，2012年；Liao等人，2014年）。针对HSAD过程中生物降解性降低的问题，通常会在AD前进行水热预处理以增强降解效果（Chen等人，2020年；Gahlot等人，2022年；Kor-Bicakci和Eskicioglu，2019年）。

在应对大量污泥产生的问题上，除了水热预处理外，回收式增稠（RT）技术也能在不增加消化池体积的情况下通过回流部分增稠后的污泥来延长污泥停留时间（SRT），从而提升运行性能（Cobbledick等人，2016年；Yang等人，2017a，2017b）。此外，结合水热预处理和RT技术的处理方法可使沼气产量增加约15%（Yang等人，2017c）。基于这些研究，进一步将RT技术应用于高温固含量污泥的处理，发现其可使嗜温消化（TD）和嗜热消化（MD）的沼气产量分别提高23%和11%（Wu等人，2022年）。尽管RT技术自1967年首次提出以来近年来受到了广泛关注（Cobbledick等人，2016年；Yang等人，2017b），但实际应用于高温固含量污泥处理的研究仍相对较少。

对于高温固含量污泥而言，除了负荷过高的问题外，氨抑制始终是一个潜在的风险因素。这是因为在厌氧消化过程中，氨主要来源于蛋白质的分解，而蛋白质是污泥中最主要的有机成分（Appels等人，2008年；Di Capua等人，2020年）。对于高温固含量污泥，不仅原料的高固含量会增加消化池内的氨浓度，水热预处理还会促进污泥中包裹的氨的释放（Chang和Filer，2020年；Cui等人，2022年）。因此，水热预处理会增加氨抑制的风险。此外，RT技术中的消化液回流过程也可能因将高氨浓度的消化液重新送回消化池而加剧氨抑制风险（Zamanzadeh等人，2016年）。有必要评估这一过程中的氨抑制风险，并制定有效的策略来克服这一问题。据我们所知，目前关于RT技术中氨的命运以及将其应用于高温固含量污泥处理的研究还较少。

在各种氨抑制缓解方法中，氨气脱除（AS）是唯一能够将氨从厌氧系统中分离出来的方法（Di Capua等人，2020年）。早期的AS技术通常不与厌氧消化池集成，需要延长处理时间（De la Rubia等人，2010年；Yabu等人，2011年）。这些研究中通常还需要添加碱来提高废液pH值，以促进氨的释放（Park等人，2018年；Yao等人，2017年）。虽然最近开发的侧流式AS技术已成功应用于高温固含量污泥的处理（Costamagna等人，2020年；Di Capua等人，2021年），但额外的保温蒸发器和填充吸附柱增加了处理设施的复杂性和安全性。因此，亟需探索和开发一种简单、低成本且高效的AS技术。

在本研究中，采用了配备原位沼气自循环系统的RT技术来处理高温固含量污泥。同时运行了嗜热消化（TD-R）和嗜温RT（MD-R）工艺，并设置了相应的对照实验（TD和MD），以评估RT技术的提升效果。实验中分别考虑了是否使用AS的情况，从而揭示了AS辅助的作用。此外，还期望比较不同升级技术对传统嗜热和嗜温消化过程的影响。

章节片段

高温固含量污泥与接种剂

高温固含量污泥是通过稀释污水处理厂的脱水污泥获得的。其详细特性见表1。在作为反应底物之前，该污泥在160°C下进行了210分钟的水热预处理（Wu等人，2022年）。本研究使用的嗜温和嗜热接种剂均为之前在相应温度下长期处理过的污泥。

实验装置

为了探究...

沼气产量与物质降解

整个运行期间沼气和甲烷产量的变化情况见图2。所有反应器在初始20天内都出现了沼气产量下降的现象，这是由于厌氧菌的适应过程。其中，MD-R和TD-R组的沼气产量甚至几乎降至零。相比之下，MD-R和TD组的沼气产量保持相对稳定。研究表明，RT技术能够提供更多的厌氧菌...

结论

在较长的水力停留时间（HRT）条件下，单独使用RT对沼气产量和运行稳定性影响较小。然而，由于RT过程中消化液的循环利用，出水中固体和有机污染物的浓度有所降低。采用RT技术的系统出水中挥发性固体含量比未使用RT的系统低约26.0%。RT技术提高了嗜温系统的抗冲击能力，但加剧了嗜热系统中有毒物质的积累。此外，还观察到了氨抑制现象...

作者贡献声明

吴立杰：撰写 – 审稿与编辑、撰写初稿、验证、监督、资源协调、项目管理、方法设计、实验设计、资金申请、数据分析、概念构建。李小晓：验证、实验设计、数据分析。杨帆：资源协调、项目管理。周全：资源协调、项目管理。刘永康：资源协调、资金申请。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52370146、51808373）、山西省奖学金委员会（项目编号：2022-051）、山西省基础研究计划（项目编号：202303021211050）以及吕梁市校地合作重点研发项目（项目编号：2022XDHZ07）的财政支持。