污泥预处理-厌氧消化体系的能源经济性评价

阮敏，孙宇桐，黄忠良，李辉，张轩，吴希锴，，赵成，，姚世蓉，，张拴保，张巍，黄兢

（1 长沙理工大学能源与动力工程学院,湖南 长沙 410114；2 湖南省林业科学院省部共建木本油料资源利用国家重点实验室,湖南 长沙 410004）

污泥是污水处理的副产物，随着我国污水厂建设速度加快和污水处理能力提高，污泥年产量剧增，根据《2019 年中国生态环境年报》给出的数据：2019 年我国建设有污水处理厂9322 家，设计处理能力达25 亿吨/天，全年污泥产量增加至1457.6 万吨。污泥含水率高、易腐化发臭，而且含有重金属、病原体、寄生虫卵等有毒有害物质，未经妥善处置极易造成二次污染，威胁环境安全和公共健康。污泥厌氧消化是利用厌氧微生物在无氧条件下通过生化反应消化污泥中的有机物并产生沼气的过程，其处理能耗低、水力停留时间短、甲烷产量高，是目前主流的污泥处理处置技术之一。从“碳中和”角度，污泥处理处置的碳排放一方面来源于处理处置过程中消耗能量所产生的能量源碳排放以及少数逸散性温室气体排放，另一方面来源于处理处置后生产的生物质能源所形成的碳补偿。目前，国内对污泥处理处置处于技术选择阶段，不同技术路线每年的碳排放量存在巨大差异。戴晓虎等统计了国内不同技术路线典型工程的碳排放和净能量数据，如图1所示，四个典型厌氧消化工程的碳排放量在整体上低于其他三类处理处置方式，并且厌氧消化与其他技术路线结合能够有效降低污泥处理处置的能耗。

图1 国内污泥处理处置不同技术路线的碳排放和净能量[7]

污泥的主要成分是水、微生物和胞外聚合物（EPS），含有丰富的蛋白质、脂质、糖类等，其有机成分含量高，是厌氧消化的合适底物。但EPS是一种复合高分子聚合物，微生物产生的水解酶不能完全降解这些高分子聚合物；同时，微生物细胞壁的抗水解性和细胞膜的选择透过性使水解酶难以降解胞内物质，成为厌氧消化反应的限速步骤。此外，污泥中的重金属、氨氮和无机盐也可能会抑制厌氧消化过程。因此，在厌氧消化前需要对污泥进行预处理，分解部分高分子聚合物，改善细胞的通透性，并降低抑制因子的影响，进而减少厌氧消化水力停留时间（HRT），提高甲烷产量。

污泥预处理的本质是为厌氧消化过程的微生物提供更适宜的底物，通过物理、化学、生物方法将污泥中复杂的有机成分转化为结构简单且容易降解的小分子物质，并消除某些有机大分子的耐水解性。经预处理后，水解步骤被加速，厌氧菌更容易获得充足的底物，从而提高厌氧消化的甲烷产率及最终产量。早在2003年，Kim等研究了多种预处理手段对污泥厌氧消化的增强效果，并指出评价厌氧消化体系的主要指标是甲烷产量。此后，甲烷产量成为评估污泥厌氧消化预处理性能的重要指标。但最新研究显示，由于抑制因子的影响，污泥的水解性能与甲烷产量未成正比，预处理过程产生的溶解性有机物不能完全被微生物利用。Li等对厌氧消化后的残余物进行分析，结果显示，腐殖质和高分子（HMW）蛋白占比分别为35.0%和22.3%，说明有超过50%难于被生物降解或不可生物降解的物质，预处理消耗能量获得的部分溶解性有机物并没有在厌氧消化过程中转化为甲烷存在能量损失。此外，有研究证实预处理强度到达某个范围时，额外的能量输入并不能使底物进一步分解；而对于联合预处理，降低能量输入反而会产生更好的协同效果。

从厌氧消化体系的能量转化而言，一方面，甲烷是厌氧消化体系主要的能量输出，另一方面预处理过程本身需要消耗能量。在以往的研究中，通常认为更高的甲烷产量代表更好的预处理效果，而忽略了预处理过程消耗的能量成本和能源经济可行性的要求。不同预处理过程的能耗需求差异较大，有文献报道预处理过程提供的额外甲烷产量不足以抵消该过程消耗的能量，高能耗已成为限制预处理方法推广应用的重要因素。Passos 等建立了几类预处理-厌氧消化体系的能量计算方法，将厌氧消化过程中输入与输出的能量进行量化。此后多数研究采用能量平衡分析来评估厌氧消化预处理的性能，并对其进行能源经济可行性评估，发现相比于热、碱预处理，超声和微波等消耗电能的预处理方法的经济性更差。而在厌氧消化体系中，输入的能量为预处理消耗的能量与污泥达到厌氧消化反应条件所需的能量之和；由于预处理没有能量输出，因此，能量输出仅为厌氧消化后得到的甲烷所转化的能量。能量平衡分析是通过计算净能量建立起甲烷产量与厌氧消化所消耗的能量成本之间的联系。因此，净能量可以作为污泥预处理性能评价的一项重要指标。

本文总结了各类污泥预处理方法的作用机理及对厌氧消化的抑制因子等方面的研究进展，对比了典型的热预处理、碱预处理、超声预处理及其联合处理分别在甲烷产量、净能量和净利润等指标上的研究结果，并在污泥厌氧消化效率评价基础上分析了上述预处理方法在能源和经济层面的可行性，进而为污泥厌氧消化预处理方案的选择、优化和评估提供多维度的理论依据和技术支撑。

1 预处理-厌氧消化体系的作用机理和抑制因子

污泥的厌氧消化预处理技术可以将污泥中部分难于降解的高分子聚合物转化为可溶性的有机小分子，在生产甲烷方面具有巨大潜力。虽然预处理过程促进了污泥中有机物的溶出，但是这些溶解有机物中的腐殖质和高分子蛋白等成分不能完全被生物降解，且这些成分在厌氧消化残余物中占50%以上。此外，热、化学、超声波、微波辐射等预处理过程可能引起污泥的pH、温度、离子浓度以及重金属浓度的变化，或通过挥发性脂肪酸（VFA）或氨氮的累积对污泥微生物群落演变产生巨大影响，进而抑制污泥水解的酸化和产甲烷过程。因此，高强度的预处理虽然可以提高有机物溶解性，但是其产生的抑制因子和难降解化合物会降低甲烷产量。有研究总结了预处理过程可能产生的抑制因子以及它们的浓度范围，如表1所示。

表1 常见的厌氧消化抑制剂

1.1 热预处理

热预处理是目前广泛应用且效果显著的预处理方法。在热预处理过程中，温度升高导致分子的振动速率增大，动能提高，可使污泥中微生物细胞壁和细胞膜的化学键断裂，从而溶解并释放细胞内有机物。热预处理能够提高污泥的生物溶解和降解性能并增加甲烷产量，减少挥发性固体的产生，以及释放污泥中的结合水以改善脱水性能，从而实现污泥无害化、减量化。一般认为热预处理的作用效果取决于温度，大量关于热预处理的研究将加热温度控制在60～270℃。Strong 等的研究表明，在没有其他预处理方法介入时，热预处理的最佳温度范围在160～180℃。

然而，过高的热预处理温度会抑制厌氧消化反应。热预处理过程中高温对氨氮浓度的影响尤为明显。Xu等的研究表明，高温会导致氨氮浓度增加，从而抑制厌氧微生物代谢和演变过程。此外，热预处理的温度对污泥中难降解有机化合物含量（SCOD）的影响也较明显，而难降解化合物的增加是导致污泥增溶与甲烷产量不成正比的重要原因。Toutian 等在120～170℃范围内对污泥进行热预处理并测定SCOD，结果显示，随温度升高SCOD提升3.9%～8.4%。

1.2 碱预处理

单独的碱预处理是在室温条件下向污泥中添加碱以调节污泥的pH。碱性物质加入后，微生物细胞膜上的脂类物质发生皂化反应，蛋白质发生水解反应，此时细胞膜难以控制物质进出，内外渗透压失去平衡，导致细胞破裂，胞内物质溶出。近年来，更多的研究将热与碱联合进行预处理，是因为碱性条件可以强化热预处理对污泥的溶解效果，因此热碱联合预处理兼备热和碱预处理的优点，并产生协同效应。有研究对比了热和热碱联合预处理的作用效果，结果显示，污泥有机质的溶解性提高了27.9%和42.9%，热碱预处理的效果更为明显。

但过高的pH 对厌氧消化体系产生抑制作用，因为污泥中的微生物对pH 敏感，而产甲烷菌是最敏感的菌群之一，其适宜的pH 范围为6.5～7.2。此外，研究发现，pH 还会改变厌氧消化过程中的中间产物，例如产酸步骤在较低pH时的产物主要是乙酸和丁酸，而在pH超过8.0时，其主要产物是乙酸和丙酸。常用的碱性物质为NaOH，Li 等的研究表明，NaOH比其他碱性物质更有效。值得注意的是，采用NaOH 调节pH 的过程会引入额外的钠离子。还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）和三磷酸腺苷（ATP）是生命活动中的关键辅酶和能量载体，钠离子对它们的形成至关重要，但过高的钠离子浓度则会干扰微生物的代谢过程。Kumar 等研究了钠离子浓度对污泥厌氧消化产甲烷的影响，结果发现钠离子的最佳浓度为350mg/L，浓度在3500～5500mg/L 时会造成中等程度的抑制影响，而浓度超过8800mg/L 时则有强烈的抑制影响。

1.3 超声预处理

超声预处理是一种十分有效的预处理方法，它可以显著改善污泥中有机物的生物降解性能。超声预处理的作用机理主要依赖“空化”现象。当超声在污泥介质中传播时，会产生压缩和拉伸作用，并造成正压和负压，在污泥中形成密集区域和稀疏区域。过大的负压会使稀疏区域中产生微气泡，这个过程可以理解为超声对污泥的“推”“拉”作用，“拉”力过大时会导致产生微气泡，气泡不断生长直至破裂，破裂产生的冲击波会加速污泥中有机物分解，这种现象被称为“空化”。Tiehm和Nickel等早在1997年提出了超声对微生物细胞的作用机制，发现微生物短暂暴露于超声作用时，细胞壁会变薄并释放细胞内有机物，从而促进后续的厌氧消化过程。

然而，与热预处理类似，超声预处理同样对污泥中氨氮的浓度造成影响。Martín等对污泥进行超声预处理后发现，高强度的超声预处理导致氨氮浓度显著增加。污泥中的氨氮一般以NH和NH的形式存在，而NH是抑制厌氧消化的主要原因，这是因为NH能够自由穿过细胞膜，改变污泥微生物细胞内环境而导致细胞内质子失衡（主要是钠钾平衡）。以往的研究对厌氧消化过程中氨的抑制机制提出几种假设：①通过改变微生物细胞内的pH抑制其活性；②增加微生物生命活动的能量需求；③抑制特定的酶促反应。此外，氨氮通过影响产甲烷菌和硫酸盐还原菌而影响硫的转化，氨氮浓度升高直接抑制厌氧消化过程中半胱氨酸裂解酶和蛋氨酸裂解酶的活性，最终影响挥发性硫化物（VSC）的转化，使厌氧消化产生的沼气中含有大量有毒成分。

1.4 微波预处理

微波的频率是0.3～300GHz，处于红外光和电磁谱中的无线电波之间，为非电离辐射的形式。工业上通常采用900MHz或2450MHz两种较短的频率。微波辐射以热能的形式远程释放能量，这种热辐射可以使细胞膜破裂，从而改变其通透性，细胞内的有机物质可以穿透细胞膜释放到液相。因此微波预处理被认为是热预处理技术的一种替代方法。

污泥中含有大量重金属，预处理可使污泥解絮释放重金属，而微波辐射够强化重金属毒性，从而放大了重金属对厌氧消化的抑制作用。其抑制作用主要表现在：重金属能够与微生物代谢所需的多种酶或辅酶结合并破坏其结构和功能。关于重金属对厌氧消化的抑制作用早有研究：Appels等研究了重金属对微生物的抑制作用，结果发现重金属的影响强度按照由强到弱依次排列为Cu＞Ni＞Zn＞Cr＞Cd＞Pb。Cu 的抑制作用最强，而Pb 最小。有文献显示，30mg 的Cu 就可以对微生物产生抑制作用，而Pb则需要5000mg以上。

1.5 生物预处理

生物预处理主要是在污泥中添加多种胞外酶，如脂肪酶、蛋白酶、内聚糖酶及其组合酶。投加到污泥中的酶会黏附在污泥絮体表面，酶的不同活性位点作用于污泥絮体的相应成分，使紧密的污泥结构变得松散，难溶的有机大分子转化为可溶性的小分子。生物预处理对污泥后续厌氧消化中微生物活性的抑制作用较小，但生物酶通常稳定性差，容易在复杂的污泥环境中失活是此方法的主要问题。

上述预处理方法都是通过分解污泥中的大分子有机物使其易于被微生物利用进而转化为甲烷。若将“预处理-厌氧消化”视为一个完整体系，除生物预处理外，热、碱、超声、微波预处理仅改变了某些无机化合物的组成及体系的能量，但体系内的碳源是守恒的，符合热力学中“闭口系”的概念。初始污泥的碳源由固相转变为液相最终进入气相，就是碳源的“液化”和“气化”的过程。“液化”主要表现为污泥固相中有机物的减少和液相中有机物的增加，“气化”即表现为最终的甲烷产量，两方面的共同结果体现了预处理的性能。

2 预处理对厌氧消化性能的影响评估

预处理的主要作用表现在污泥液相中有机物增加和固相中有机物去除两个方面，因此研究中通常以可溶性化学需氧量（SCOD）或可溶性化学需氧量占总化学需氧量的比值（SCOD/TCOD）来表征增溶的效果，以总固体（TS）降解率、挥发性固体（VS）降解率等指标表征有机物的去除效果，有机物增溶和去除最终关系到后续厌氧消化甲烷产量的增加。因此，以往的研究通常以此作为预处理的基本评价指标，并作为选择预处理方法和优化预处理条件（温度、时间、pH等）的基本依据。

2.1 溶解性有机物评价指标

预处理最直接的效果是改变污泥中有机物的分布情况，固相中的有机物向液相中转移。SCOD、溶解性蛋白质、碳水化合物等表征可溶性有机物含量的指标通常被用以说明预处理对厌氧消化性能的提升程度，并通过这些指标对预处理方案进行优化。王磊、谭学军等基于热预处理后污泥SCOD与TCOD的比值提出了厌氧消化工艺优化方案，优化后的结果显示：SCOD/TCOD 从0.5% 提高至33.5%。Lu 等更进一步以溶解性有机物的分布规律评价热预处理的性能，结果表明：高温预处理主要改善了低分子量（LMW）蛋白和LMW多糖的释放，超过50%的LMW 成分是类固醇类化合物和芳香族化合物。SCOD 也可以作为关键指标对不同类型的预处理方法进行对比。例如Kim 等使用SCOD/TCOD对超声、碱、碱-超声联合预处理的性能进行评价，结果表明：单独使用超声或碱预处理的SCOD/TCOD增加率不超过50%，而碱-超声联合预处理的SCOD/TCOD可以达到70%，碱-超声联合预处理效果更加显著。SCOD 也可用于说明一些联合预处理能够取得高于单独预处理的效果。有研究显示，热碱联合预处理的SCOD要明显高于单独的热预处理，低温热预处理与碱预处理结合可以利用碱性化学药品代替部分高温预处理的效果。Nazari等利用响应面分析对热碱联合预处理的效果进行优化，结果显示，热碱联合预处理在有机物溶出和降解方面均优于热预处理，最佳反应温度、时间和pH 分别为80℃、5h 和10，与单独的热预处理相比，该条件下污泥的SCOD增加了20%。

2.2 有机物降解率评价指标

预处理后液相有机物增加必然伴随着固相中有机物的减少。TCOD、VS 降解率、总悬浮固体（TSS）和挥发性悬浮固体（VSS）去除率等指标均可以作为评价固相中有机物减量程度的关键指标。一方面，有机物去除率（或降解率）可以作为预处理方法的优化对象。李海兵等对微波预处理进行优化，结果显示：最佳处理条件为500W功率下处理10min，该条件下与未经预处理的污泥相比，微波预处理使污泥降解率提高到31.0%。Ebenezer等对微波预处理的优化方案使污泥的生物降解率提高了70%；有研究对热预处理进行优化，使TCOD 和VS 降解率分别提高至35%和41%。有机物去除率还可以作为关键指标对比各类预处理的效果。于潘芬等以TSS、VSS 去除率等指标对比了低温-碱预处理和高温热预处理的效果，结果表明，高温-碱预处理明显优于高温热预处理。Wang等通过对比原始污泥、热预处理污泥和热碱联合预处理污泥的有机物降解率来评价各类预处理的作用效果，结果显示，预处理后原始污泥的有机物降解率为30.9%，热预处理污泥为42.4%，热碱联合预处理为52.8%，热碱联合预处理效果更好。

2.3 甲烷产量评价指标

甲烷是厌氧消化的最终产物，Kim 等在研究中提出沼气和甲烷产量是评价预处理的重要指标，并通过对比热、化学、超声、热碱联合四种预处理方式的产气量来说明热碱联合预处理具有最佳的作用效果，如图2所示。

图2 各类预处理的甲烷和沼气产量[15]

Kim 等以甲烷产量为目标对超声强度和水力停留时间（HRT）进行优化。赵阳等以沼气累积产量、沼气日产气速率、甲烷在沼气中的占比等指标对热、碱、热碱联合、电化学四种预处理方式进行了比较，结果显示，电化学预处理最理想。众多研究使用甲烷产量的相关指标来说明预处理在强化厌氧消化上的巨大潜力：热预处理可以将甲烷产量提高至0.25L/g，累积甲烷产量比未经预处理的污泥提高101.2%；热碱预处理使甲烷产量增加25%～72%；超声预处理后甲烷产量提升了49%；微波预处理使甲烷产量提高了20%，在最佳条件下累积甲烷产量提高了45.4%。

污泥预处理方法欲通过增加底物的溶出率和降解率来提高甲烷产量，但更好的底物溶解性和降解性并未得到后续更多的甲烷产量。Barrado 等对热预处理的优化方案显示，加热温度和时间是影响污泥溶解性的重要参数，与未经预处理的样品相比，热预处理能够使污泥溶解度增加30%～41%，甲烷产量增加25%～72%，但二者之间没有明显的线性关系。Alzate等报道了经120℃热预处理的样品相比于对照组的SCOD 提升近5 倍，但甲烷产量仅提升了20%，进一步证明了污泥溶解性的增加与甲烷产量无明显相关性。有研究证实预处理强度到达某一节点时，额外的能量输入不能使底物进一步分解，而对于联合预处理，降低能量输入反而会产生更好的协同效果。因此，提高预处理强度会消耗更多的能量来增加底物溶解性，但是这部分能量没有完全转化为甲烷。

由此可见，污泥中SCOD的增加与TS的减少是两个并行指标，其预期结果是甲烷产量的提高。但不同形式的碳在相互转化过程中需要克服抑制因子的阻力，这使得两个指标对预处理的选择和优化结果缺乏相关性。同时，预处理过程中造成的能源损耗和经济成本没有被量化，导致缺乏对工程成本的考量。而能量指标是一个典型的过程量，污泥中碳源的转化包括耗能与产能，它可以作为贯穿整个过程的物理量对“预处理-厌氧消化”体系进行评估，是基于传统评价指标的补充和完善。

3 预处理方法的能源和经济可行性评估

将能量平衡指标与甲烷产量等指标结合以评估预处理类型和选择预处理强度往往会得到不同的结论。从热力学观点来看，污水中60%的能量以有机物化合键的形式储存，厌氧消化是从污泥中回收能量的主流技术，经过复杂的生化过程后以甲烷、生物氢等形式输出能量。预处理方法通过消耗电能、热能或化学能以提高厌氧消化效率，从而获得更高的生物质能产出。因此，预处理过程中所消耗的能量与生物质能产出之间的关系值得被关注。事实上，高能耗一直是限制预处理在工程应用的瓶颈问题。近年来，越来越多的研究开始关注预处理-厌氧消化体系在能源经济上的可行性，通过能量平衡分析将厌氧消化体系中能量的输入和输出进行量化，并计算其差值，定义为净能量（net energy production）。同时，对预处理的经济成本和收益进行核算，并以净利润（net cost）代表预处理方法在经济上的可行性。

3.1 预处理-厌氧消化体系的能量计算

对于产甲烷型厌氧消化而言，整个厌氧消化体系输入能量是预处理能耗与污泥从初态达到厌氧消化条件所需要的能量之和，由于预处理没有能量输出，因此甲烷产量就代表了整个体系的能量输出。

3.1.1 能量输入计算

在厌氧消化过程中，如果舍去装载、泵送、搅拌产生的能耗，那么能量输入可以被分为热能、电能和化学能等形式。

关于热能的计算，大多数研究采用Passos 等的计算方法，见式(1)。

式中，是污泥消耗的热能；是污泥密度；是污泥体积；是污泥比热容；、分别是热预处理的温度和污泥的初始温度（或环境温度）。

超声、微波等预处理方法通常是使用特定的仪器设备消耗电能来提高厌氧消化效率的，根据Kavitha等的研究，其消耗的电能可以通过式(2)计算。

式中，是预处理所需的电能；是输入功率；是预处理时间。

化学预处理过程中消耗化学药品也可以转化为能量进行计算，Xiao 等在研究中通过式(3)进行转换。

式中，是通过化学药剂引入的能量；是污泥投加量；和分别是NaOH 和HCl 的消耗量；和分别是NaOH 和HCl的价格；是工业用电价格。

3.1.2 能量输出计算

在厌氧消化体系中，甲烷是典型的能量输出产物。而不论采用何种预处理方式，厌氧消化过程中累计产生的甲烷是能量产出的主要来源。这部分能量是甲烷的低位发热量、产生的甲烷体积和能量转化效率的乘积，见式(4)。

由于和都是常数，分别为35.832MJ/m和90%，因此厌氧消化系统输出的能量仅由参数决定，事实上预处理所带来的额外能量输出就是甲烷增加量。

3.1.3 净能量计算

能量输入与输出之间的差值即为净能量，见式(5)。

3.2 不同类型预处理方法的净能量

在以往的研究中，净能量计算一般会提出假设：①污泥的比热容和密度均与水相似，分别为：= 4.18 × 10MJ/(kg·℃)，= 1 × 10kg/m；②环境温度为恒定值，一般为25℃；③厌氧消化反应器有壁面热损失，传热系数为常数，通常假设为1W/(m·℃)；④碱性预处理过程中回收能量的百分比通常为80%～90%；⑤NaOH 的价格、工业电价均为常数。

3.2.1 热预处理的净能量

通过式(6)计算热预处理的厌氧消化体系的能量输入。

式中，是热预处理产生的能耗；是假设的污泥密度；是用于厌氧消化的污泥总量；是假设的污泥比热容；是经过热水解后污泥所达到的温度；是环境温度；是能量回收效率；是厌氧消化所需的温度；是反应器壁面的传热系数；是反应器壁面的表面积；是厌氧消化过程中有效甲烷产生时间。

对上式进行简单的分析后可以发现，能量输入由三部分组成：①热预处理产生的能耗[(-)]；②污泥从初始温度达到厌氧消化温度所需的热量[(-)]；③厌氧消化过程中的壁面散热损失[86.4(-)]。综合3.1 节的论述，舍去壁面散热损失，带入假设的参数后，可以将式(6)改编为式(7)。

式中，、、均为常数。可见，热预处理的净能量仅由两个参数确定：加热温度和生产的甲烷体积。综合多篇文献的计算结果，对加热温度范围从60℃到210℃的热预处理的净能量进行分析，结果如图3所示。

图3 热预处理的甲烷产量和净能量

在低温段（60～120℃），甲烷产量会随着温度升高而升高，80℃是甲烷产量随温度变化曲线斜率上的拐点，尽管数值上依然提升，但其增量并不大。不同的是，净能量随温度变化曲线斜率的拐点出现在100℃附近，当温度超过这个点，净能量会迅速降低。若仅从甲烷增产出发，120℃显然能够获得最高的甲烷产量，但是联合净能量指标来考虑，120℃付出了高于100℃近3倍的能量损失，却仅获得了不足5%的甲烷产值，显然是缺乏经济性的。在高温段（120～190℃），甲烷产量随预处理温度升高表现出先升高再降低的趋势，曲线的极值点出现在150℃附近，而净能量随着预处理温度升高逐渐降低，并且均为负值，其曲线斜率逐渐增大。此时不论从甲烷生产还是能量平衡的角度，150℃均为最优的选择。在整个温度区间内（60～210℃），对污泥的热预处理可以显著提高厌氧消化的甲烷产量，与低温段相比，高温段预处理在甲烷生成方面更加有效，但是过高的预处理温度（＞190℃）会抑制甲烷的产生。而净能量曲线表现为0以下单调的减函数，说明热预处理带来的甲烷产量增加没有抵消其能量输入。

尽管热预处理的净能量大多表现为负值，但实际应用中上可通过回收热量提高净能量的数值。Lu 等的研究表明，污泥从加热到冷却的过程中，其85%的热量可通过热交换器回收，后续的研究大多支持了这个观点。热量的回收利用能够显著提高热预处理的净能量，使其表现为正值。Liu等对比了热预处理过程中不同污泥停留时间（SRT）回收与不回收热量所产生的净能量，结果如表2所示。另外，他们还定义了净能量为0时厌氧消化热预处理的甲烷产量称为最低甲烷产量，超过该产量时净能量为正，否则为负。其结果表明，如果按照85%的回收热量，那么最低甲烷产量在0.16～0.43，如果不回收热量，则最低甲烷产量在0.46～1.75。因此，通过热量的回收利用可以提高热预处理的净能量。

表2 热预处理过程中回收与不回收热量所产生的净能量[77]

此外，提升预处理温度会产生更高的能量成本，降低预处理-厌氧消化在经济上的收益。Kavitha等对热预处理进行了经济性分析，结果见表3。

表3 不同热预处理温度下的甲烷产量和净利润[80]

热预处理产生的净利润随着加热温度的升高而下降，但整体上热预处理的能源投资能够获得盈利，这个结果与Cano 等对预处理经济可行性的评估是一致的。理论上如果将热预处理生产的沼气完全用于发动机运行（热电联产），则可能实现能源自足。因此，有研究也将热预处理视为最具潜力的预处理方法。

3.2.2 碱预处理的净能量

根据以往的研究，可以通过式(8)计算碱预处理过程中的能量输入。

式中，是碱性预处理时的能量输入；是NaOH转化的能量；是污泥的密度；是污泥的投加量；是污泥的比热容；是污泥进行碱预处理所达到的温度；是环境温度；是厌氧消化时所需的温度；是碱预处理过程中热量回收的百分比。

由此可见：碱预处理-厌氧消化体系的能量输入由三部分组成，分别是：①加入碱性药品（NaOH）后产生的热量[(-)]；②碱性药品转化的能量（）；③污泥达到厌氧消化所需温度时产生的热量[(-)]。可见，在特定的厌氧消化温度时，碱预处理引入的能量只与污泥投加量和化学碱药剂（NaOH）消耗量有关。与能量输出进行联立，可以将式(8)改编为式(9)。

式中，、、均为常数。碱预处理的净能量仅取决于NaOH 消耗量和甲烷产量。通常，碱预处理的能耗要求不高。有研究计算了碱预处理体系下污泥厌氧消化产生的能耗情况，预处理能耗为-5.771kJ/g VS，厌氧消化的能量输出为11.225kJ/g VS，在计算了消化过程中污泥的泵送、耗电、运输、脱水等一系列能量后，最终的净能量为4.226kJ/g VS，可以认为污泥碱预处理的甲烷产值可以抵消其能耗。

碱预处理的低能耗在厌氧消化微藻时也得到证实。Cho 等在对微藻的研究中计算了碱预处理的厌氧消化体系净能量结果。研究发现，碱预处理能够产生少量的正净能量，如图4所示。

图4 碱预处理的甲烷产量和净能量[76]

pH 在9～13 区间时，碱性越高，甲烷产量越低，这是因为过高的pH 抑制了厌氧微生物生命活动。从净能量来看，碱预处理能够产生正净能量，但是绝对值很小，并随着碱度的提高净能量逐渐降低。文献指出了未经预处理的污泥净能量为11.9kJ/g VSS，与弱碱预处理的净能量相似，但在强碱（pH=13）环境下，预处理的净能量低于未经预处理的初始污泥。

3.2.3 超声、微波预处理的净能量

根据以往研究中的计算方法，超声、微波预处理的净能量可以通过式(10)计算。

式中，表示设备的功率；表示预处理时间；表示所投加污泥的浓度；表示污泥的有效体积。

超声、微波是典型的机械预处理方法，通常具有较高的能耗。Houtmeyers 等在研究中对两种机械预处理进行能量平衡分析，如图5 所示，超声、微波预处理能够有效实现甲烷增产。能量评估表明，额外甲烷产量含有的能量（超声、微波分别为11.4kW·h、8.6kW·h）明显低于预处理的额外能耗（超声、微波均为26.7kW·h），两种方式的净能量均为负值。其他研究也证实了这一点，Akgul 等将输入、输出能量统一为电能，并计算了7d、14d、20d SRT 的净电能产量，结果表明：这两种预处理体系生产的额外甲烷不足以补偿预处理所需的能量输入。

图5 超声、微波预处理的能量平衡[93]

超声在污泥中传播会受到污泥种类和浓度的影响，因此除超声预处理时间外，污泥的种类和浓度也是净能量的重要影响因素。Pillui 等研究了超声预处理对不同种类（初沉池污泥、二沉池污泥、混合污泥）和浓度（20g/L、30g/L、40g/L）的污泥的作用效果，并计算了净能量，结果见表4。

表4 不同类型污泥在不同浓度下的净能量[95] 单位：kJ·kg-1 TS

结果显示：三种不同类型的污泥超声预处理都表现出高于未经预处理污泥的负净能量，但其在数值上差异较大。不同浓度影响下，30g/L 是一个相对最优的浓度，其净能量上表现为正值，且超过了未经预处理的污泥。而在20g/L 时，超声预处理后的三种污泥均表现出较大的负净能量。在不同污泥类型中，初沉池的污泥净能量最低，而二沉池污泥的净能量最高。因此，超声预处理30g/L 的二沉池污泥在能量方面最优，其净能量表现为正值。对另外两种污泥类型而言，三种浓度下超声预处理都会造成厌氧消化体系的能量损失，与未经预处理的污泥相比，净能量的损失会高出1.95～8.00倍。

经济可行性研究显示，超声的时间决定了超声预处理净利润的高低。以往的研究表明，消耗电能的预处理方法很难实现能源经济上的盈利。表5的结果显示，净利润随超声预处理时间呈现出负值。Şahinkaya等的研究也证明了这一点，结果显示：超声预处理会使每吨污泥造成1.42USD的经济损失，由于超声的高能耗要求，其在经济上的可行性较低。因此，在保证一定甲烷产量的情况下尽可能缩短超声时间是必要的。

表5 超声预处理的甲烷产量和净利润[91]

3.3 联合预处理的能量平衡分析

将两种或者多种预处理方法进行联合是预处理技术的发展趋势，常见的三种联合预处理形式分别为热碱联合预处理、热超声联合预处理、热碱超声联合预处理。

能源和经济性指标能够用以评估不同的预处理条件，从而获取优化方案。图6为热超声联合预处理甲烷生产和净利润的研究结果。整体而言，在相同的预处理温度条件下，超声能量密度与甲烷产量没有表现出明确的相关性。但是，随着超声能量密度的增加，净利润逐渐降低。在相同的超声能量密度条件下比较不同的预处理温度也可以得到相同的结论。因此，对于热超声联合预处理，提高预处理强度不一定使甲烷增产，降低预处理强度反而会产生更好的协同效应，并且能够提高净利润。而比较甲烷产量较高的两个点可以发现，最高点出现在90℃热预处理温度与10000kJ/kg 超声能量密度时（甲烷产量为424mL），但此时预处理带来的经济损失最高（-112USD）；而50℃热预处理温度与5000kJ/kg 超声的甲烷产量为420mL，略低于最高值，但经济损失为90℃、10000kJ/kg 时的1/6。若仅从甲烷产量角度出发，应该选择最高的超声强度和加热温度，但综合净利润指标而言，50℃加热温度与5000kJ/kg的超声强度会带来更好的效益。

图6 热超声联合预处理的甲烷产量和净能量[98]

能源和经济性指标能够用以评估不同的预处理类型。由于甲烷的能量输出与其产量呈线性相关，因此图7中输出甲烷的能量可以代表甲烷产值。如图中所示，三种预处理方式在甲烷生产和净能量方面表现出相同的趋势。对于甲烷产量，热碱预处理明显高于初始污泥和热预处理污泥。对于净能量，热碱预处理表现出较高的正值并且远高于未经预处理的初始污泥。这表明热与碱联合预处理污泥产生了较好的协同效应且没有产生强烈的抑制影响。由于碱预处理本身的能耗较低且能够代替一部分热能的作用效果，使得热与碱两种低能耗的组合极具潜力。此外，不同的碱试剂也会造成净利润的差异，Kavitha 等对比了不同种类的碱试剂与热预处理联合在经济上的表现，NaOH的净利润最高（42.6USD），KOH 居中（20.6USD），而Ca(OH)的净利润最低（4USD）。

图7 热和热碱联合预处理[99]

如图8所示，热和热碱联合预处理的净能量和净利润表现出高度的一致性，但与甲烷产量的趋势有明显不同。热、碱、超声三种预处理方法的联合在甲烷生产方面具有优势，但同时也具有较高的能量成本。污泥COD在20%～50%区间内，净能量以及净利润均为负值，并随着污泥浓度的升高表现出先升高后下降的趋势，极点出现在30%～35%。当COD 超过35%，净能量和净利润会明显下降。如果仅从甲烷产量的角度而言，提高污泥浓度有利于厌氧消化过程，但是从能源和经济可行性角度而言，过高的有机负荷会导致更大的能量和经济损失。因此，应该从甲烷产量和能源经济角度综合选择恰当的污泥浓度。

图8 热和热碱联合预处理[96]

综上所述，厌氧消化体系的能量输入大部分来源于预处理的能耗，而能量输出与甲烷产量具有明确的线性关系，净能量指标能将预处理方式及其强度与甲烷产量之间建立关联，而净利润能够进一步判定预处理在经济上的可行性。具体而言：热预处理带来的甲烷增量未能抵消其能量的输入，预处理温度越高，其净能量越低，但热预处理在能量回收方面具有更重要的意义；碱预处理能耗相对较低，但受制于微生物对pH 的敏感性，故碱预处理的甲烷产量和净能量会随pH 升高而下降；超声预处理的净能量远低于热预处理及碱预处理，且延长超声时间和增加能量密度均可造成能量损失，但选择恰当的污泥浓度能够使其净能量为正值，同时短暂的超声时间能产生正净利润；在联合预处理中超声联合预处理的能源经济可行性较低，而通过回收热量的热预处理与低能耗的碱预处理联合在能源经济性方面具有较大的潜力。

4 结语

预处理通过消耗电能、热能或化学能来提高厌氧消化效率，从而获得更高的甲烷产量。以往的研究中通常以SCOD、VS降解率、甲烷产量等指标评价厌氧消化预处理的性能，而忽略了其在能源和经济上的可行性。由于预处理过程中抑制因子的存在，SCOD 的升高与甲烷产量之间缺乏相关性。另外，甲烷产量增加被视为评估预处理的关键指标，但仅将最大化甲烷产量作为选择预处理方法和反应条件的标准会造成额外的能量和经济损失。

本文总结了厌氧消化体系中各种能量的计算方法，对比了典型的热预处理、碱预处理、超声预处理及其联合处理分别在甲烷产量、净能量和净利润等指标上的研究结果，并在污泥厌氧消化效率评价基础上分析了上述预处理方法在能源和经济层面的可行性。主要结论如下。

（1）净能量及净利润可用于评价污泥“预处理-厌氧消化”体系的性能及可行性，是对以往评价指标的补充和完善，对预处理类型的选择和预处理条件的优化具有现实意义。

（2）热预处理的净能量多为负值，可通过热能的回收利用提升净利润水平。

（3）碱预处理的净能量多为正值，与可回收热进行联合预处理具有较大潜力。

（4）超声预处理净能量多为负值，可通过调整污泥类型及浓度，缩短处理时间及降低功率来减少净能量损失，提升净利润水平。