污泥厌氧消化过程中残余絮凝剂影响及调控

絮凝剂能够通过压缩双电子层、吸附-电性中和、吸附架桥、网捕-卷扫等作用，使溶液中悬浮胶体或颗粒脱稳、聚集、沉淀，在水处理领域得到广泛使用，包括工业用水处理、给水净化以及城市污水处理与处置。早在明朝《天工开物》中就有使用明矾作为絮凝剂用于净水的记载，以絮凝剂为代表的水处理药剂给人类生产生活带来极大便利，在水污染治理、用水质量保证以及水资源可持续利用等方面发挥了极其重要的作用。在享受絮凝剂带来的便利的同时，人们却往往忽略了被沉淀和分离的固体物质（例如絮凝污泥）的去向及其对环境造成的影响。随着我国双碳目标的确立，减污降碳、节能降耗与资源回收成了全社会的广泛议题，通过污泥厌氧消化等方式回收污水中的资源和能源被赋予了战略性的意义。然而，实际污泥厌氧消化过程中资源和能源的回收效率并不理想，一定程度上阻碍了这一过程的应用与推广。为提高污泥处理过程中资源和能源的回收效率，国内外研究大多聚焦于通过预处理提升污泥中有机物的溶出，以及探索利用厌氧消化中间产物如短链脂肪酸或者氢气作为资源回收的可能性，但忽略了水处理环节中被大量添加、最终富集在剩余污泥之中的絮凝剂对污泥厌氧消化的影响。实际上，絮凝剂由于其自身特性，对消化反应器中有机物具有团聚作用，阻碍酶和有机基质的接触，严重影响污泥厌氧消化过程的甲烷回收性能，且不同种类絮凝剂的絮凝性及其对微生物产生的毒性也各不相同。
湖南大学环境与工程学院王冬波教授及其团队长期从事固体废物尤其是城市剩余污泥的减量化、资源化和无害化处理处置等研究，从基础理论、技术开发到工程应用等方面开展了一系列研究工作并取得了一些创新性成果。依托国家自然科学基金、湖南省杰出青年基金、湖南省科技重大专项等项目资助，团队开展了大量关于污泥中残余絮凝剂对厌氧消化过程的影响及调控等研究工作。基于此，王冬波教授科研团队开始了本书的编著。本书首先系统论述了多种常见的有机/无机/复合型絮凝剂功能与特性，总结了絮凝剂在污水-污泥处理系统中的使用和残余情况，结合目前剩余污泥厌氧消化处理现状，阐明了絮凝剂在厌氧系统中的迁移与转化情况；然后，根据厌氧处理系统宏观处理效能、典型生化过程动力学、微生物宏观与微观特性以及絮凝剂迁移转化等方面，多层次、多角度地论述了污泥中残余絮凝剂对厌氧处理过程的影响行为与作用机理，在此基础上探究了能够实现“絮凝剂有效降解/稳定-絮凝剂不利影响有效控制-甲烷高效产生”的多种絮凝污泥厌氧消化系统有效调控策略；最后，进行了结论总结和趋势分析。本书试图形成一套较为完整的絮凝剂对厌氧消化影响与调控的科学理论与应用体系，为推动絮凝剂的研发、应用、生态风险防控、污水处理厂的资源与能源回收以及我国双碳目标提供理论依据、技术支撑和案例借鉴。
本书是集体劳动和智慧的结晶，全书由王冬波、伍艳馨、刘旭冉等编著，参与课题研究和本书资料搜集与整理的人员还有熊炜平、曾茁桐、谭小飞、张长、曾光明、符气梓、李晨曦、杨静楠、都明婷、何丹丹、卢琦、邓倩、鲁敏、吴超、王曼玉、楚骁等（排名不分先后）。本书在编著过程中也得到了其他老师和同学们的大力支持和帮助，在此表示衷心的感谢！
限于编著者水平与编著时间，书中难免出现疏漏和不当之处，敬请各位读者指正。

编著者
2022年10月

王冬波，博士、湖南大学环境科学与工程学院副院长、教授、博士生导师，湖南省科技创新领军人才，湖南省自然科学一等奖获得者。主要研究方向为水污染控制、污泥资源化、新污染物在环境中的影响等。研究成果发表学术论文140余篇（Environ. Sci. Technol. 5篇、Water Res. 28篇、中国百篇zui具影响国际学术论文2篇、ESI 1‰热点论文18篇），发表论文被引用18000余次，h-index为73；获授权国家发明专利15项；入选爱思唯尔中国高被引学者（2020、2021年度）、全球前2%科学家职业长期影响力榜单（2021、2022年度）；参与编写英文著作2部；主持国家自然科学基金等10余项科研课题；担任中国给水排水青年编委会副主任委员、Water期刊客座编辑等。作为技术负责人（或主要技术人员）主持/参与了多项实际污水（固体废物）处理（处置）的设计、施工、现场调试与验收工作。

本书以污泥中残余絮凝剂对厌氧消化过程的影响及调控为主线，主要介绍了常见絮凝剂的功能特性以及在污水-污泥处理过程中的使用和残余情况，从絮凝剂在厌氧消化系统中的迁移转化出发，以含絮凝剂污泥厌氧消化系统宏观处理效能、典型生化过程动力学、微生物群落特性等为基础，多层次、多角度地阐明了絮凝剂在污泥厌氧消化过程的影响行为与作用机理及调控策略；最后进行了总结和趋势分析。
本书旨在形成一套较为完整的絮凝剂对厌氧消化影响与调控的科学理论与应用体系，以期为推动絮凝剂的研发、应用与生态风险防控、污水处理厂的资源和能源回收以及双碳目标的实现做出贡献,具有较强的科学严谨性、针对性和技术应用性，可供从事污水处理处置，污泥无害化、减量化、资源化等的工程技术人员、科研人员和管理人员参考，也可供高等学校环境科学与工程、市政工程、生态工程及相关专业师生参阅。

第1章概述
1.1絮凝剂概况3
1.1.1无机絮凝剂3
1.1.2有机絮凝剂8
1.1.3复合型絮凝剂14
1.2絮凝剂在污水/污泥处理中的应用16
1.2.1絮凝剂在工业废水处理中的应用16
1.2.2絮凝剂在给水系统中的应用17
1.2.3絮凝剂在城镇污水处理中的应用18
1.2.4絮凝剂在城镇污泥处理中的应用20
1.3絮凝剂在污泥中的残余现状23
1.3.1絮凝剂进入污泥的途径23
1.3.2絮凝剂在污泥中的残余23
1.4城镇污泥厌氧消化处理现状25
1.4.1污泥来源、性质与组成26
1.4.2污泥厌氧消化基本原理28
1.4.3污泥厌氧消化主要影响因素31
1.4.4污泥厌氧消化工程案例分析35
参考文献39

第2章絮凝剂在厌氧消化系统中的迁移与转化
2.1无机絮凝剂在厌氧消化系统中的迁移与转化52
2.1.1无机絮凝剂在厌氧消化系统中的迁移52
2.1.2无机絮凝剂在厌氧消化系统中的转化53
2.2有机絮凝剂在厌氧消化系统中的迁移与转化55
2.2.1有机絮凝剂在厌氧消化系统中的迁移55
2.2.2有机絮凝剂在厌氧消化系统中的转化56
参考文献60

第3章絮凝剂对污泥厌氧消化处理效能的宏观影响
3.1无机絮凝剂对污泥厌氧消化处理效能的宏观影响63
3.1.1无机低分子絮凝剂63
3.1.2无机高分子絮凝剂66
3.2有机絮凝剂对污泥厌氧消化处理效能的宏观影响71
3.2.1合成有机絮凝剂72
3.2.2天然有机絮凝剂79
参考文献82

第4章絮凝剂对污泥厌氧消化的影响机理
4.1无机絮凝剂对污泥厌氧消化的影响机理86
4.1.1污泥厌氧消化累积产甲烷的动力学模拟86
4.1.2对中间生化过程的影响89
4.1.3对胞外聚合物组成的影响94
4.1.4对厌氧消化系统关键酶活性的影响96
4.1.5无机絮凝剂成分与演变产物的影响贡献识别98
4.2有机絮凝剂对污泥厌氧消化的影响机理109
4.2.1污泥厌氧消化累积产甲烷的动力学模拟 109
4.2.2对中间生化过程的影响111
4.2.3对胞外聚合物组成的影响116
4.2.4对厌氧消化系统关键酶活性的影响118
4.2.5有机絮凝剂成分与其演变产物的影响贡献识别119
参考文献130

第5章絮凝剂对污泥厌氧消化中微生物生态的影响
5.1无机絮凝剂对微生物生态的影响135
5.1.1微生物多样性135
5.1.2水解、酸化微生物135
5.1.3复杂有机物降解功能菌及其他菌种139
5.1.4古菌139
5.2有机絮凝剂对微生物生态的影响142
5.2.1微生物多样性142
5.2.2水解、酸化微生物143
5.2.3复杂有机物降解功能菌145
5.2.4古菌146
参考文献149

第6章含絮凝剂污泥厌氧消化过程的调控
6.1预处理调控152
6.1.1物理预处理152
6.1.2化学预处理165
6.1.3联合预处理170
6.2过程调控175
6.2.1反应条件控制175
6.2.2时间控制176
参考文献178

第7章结论与趋势分析
7.1结论182
7.2优势及问题分析183
7.3趋势分析185
参考文献186

附录
附录1专业词汇索引188
附录2《污泥无害化处理和资源化利用实施方案》（发改环资〔2022〕1453号）188
附录3《城镇污水处理厂污泥处理稳定标准》（CJ/T 510—2017）【节选】193