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城市污水处理厂污泥生物甲烷燃料生产的潜力评估：动力学模型研究与技术经济分析
【字体： 大 中 小 】 时间：2025年07月21日 来源：Results in Engineering 6.0
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为解决城市污水处理厂污泥资源化利用问题，研究人员开展污泥厌氧消化(AD)产甲烷的动力学建模与技术经济分析。研究通过21天实验获得399-410.9 mL CH4/g VS的甲烷产率，验证改进Gompertz模型的最佳预测性能(R2=0.998)。经济评估显示初始投资44,848美元，净现值(NPV)6,851美元，内部收益率(IRR)12%，证实项目在发展中国家具有经济可行性。该研究为污泥能源化提供了兼具环境效益与经济效益的解决方案。
随着乌克兰战争引发的全球能源危机和城市化进程加速，发展中国家面临污水处理厂超负荷运行与污泥处置难题的双重挑战。以喀麦隆雅温得Cité Verte污水处理厂为例，其日均产生239公斤污泥却未被有效利用，既造成资源浪费又导致水体污染。传统处置方式如焚烧、填埋不仅成本高昂，还加剧温室气体排放。在此背景下，将污泥通过厌氧消化(Anaerobic Digestion, AD)转化为含74.14%甲烷(CH4)的生物燃气，成为兼具能源回收与环境保护潜力的解决方案。
研究人员针对该污水处理厂污泥开展系统性研究，通过实验室规模实验结合工业级设计验证，首次在撒哈拉以南非洲地区建立了完整的污泥单消化技术经济评估框架。实验采用1L玻璃消化器，在37±0.1°C条件下对200g挥发性固体(VS)进行21天厌氧消化，通过液体置换法每日监测产气量，TY-100%-CH4分析仪测定气体成分。关键创新包括开发预测甲烷产量的多项式模型，进行针对发展中国家的投资成本敏感性分析，以及证实改进Gompertz模型对微生物生长动力学的理想拟合。
技术参数与污泥特性
设计88m3固定圆顶消化器，计算得出每日可处理239kg原污泥。污泥理化分析显示：pH 6.64±0.05处于最佳产甲烷范围(6.5-8.5)，挥发性固体(VS)占总固体(TS)的73.47±0.25%，碳氮比(C/N)5±0.4，高含水率(88.57±0.22%)促进微生物活性，这些特性共同促成不足1天的超短滞后期。
甲烷生产动力学
实验获得406.73±4.93 mL CH4/g VS的累计产率，显著高于文献报道的初级污泥(0.425 Nm3/kg VS)和剩余活性污泥(0.176 Nm3/kg VS)产率。日产气曲线呈现典型三阶段特征：1-7天为指数增长期(峰值34.75 mL/gVS/d)，8-15天过渡期，16天后进入稳定期。比较8种动力学模型发现，改进Gompertz模型以R2=0.998、RMSE=5.66 mL/gVS的精度最优，其参数显示最大产率μ=31.06±1.57 mL/gVS/d，滞后期λ仅0.43±0.32天。
技术经济可行性
构建的工业系统包含沼气净化装置和热电联产(CHP)单元，年收入9,311美元来自电力(6,898美元)、热能(1,704美元)和肥料(708美元)销售。关键经济指标显示：初始投资44,848美元，净现值(NPV)6,851美元，内部收益率(IRR)12%，投资回收期7.39年。敏感性分析指出，初始成本增加超过25%或电价下降超过15%将导致项目不可行。
环境效益与创新价值
该方案每年可减少146kg CO2-eq排放，同时生产的有机肥料可替代化学肥料。研究首次证实非洲污泥无需预处理即可实现400 mL CH4/g VS的高产率，归因于土著微生物群落的高活性。相比欧洲需62�/MWh补贴的方案，本研究为发展中国家提供了更易推广的技术路径。
这项研究为发展中国家污泥管理提供了兼顾技术可行性与经济可持续性的解决方案，其建立的动力学模型和技术经济评估框架对推动可再生能源发展和循环经济实践具有重要指导意义。未来研究应聚焦微生物群落解析和半工业化试验，以进一步优化系统性能。论文发表于《Results in Engineering》，为同类地区废弃物资源化提供了重要参考。
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