北京建筑大學(xué)郝曉地教授團隊——廢鐵屑強化剩余污泥厭氧消化機理研究
丨文章亮點丨
- 投加廢鐵屑可促進厭氧消化甲烷產(chǎn)量
- 定量分析廢鐵屑促使甲烷增產(chǎn)之作用機理
- 廢鐵屑通過降低ORP和鐵腐蝕析H2兩種途徑對甲烷增產(chǎn)貢獻甚微
- 廢鐵屑對甲烷增產(chǎn)主要是通過促進微生物生長繁殖和新陳代謝途徑而實現(xiàn)
丨文章簡介丨
污水處理運行走“碳中和”之路已成共識，這就使得污泥厭氧消化這一老生常談的技術(shù)再獲青睞。然而，剩余污泥能源轉(zhuǎn)化率較低限制著厭氧消化技術(shù)推廣和普及，這就需要采取技術(shù)措施予以強化之。廢鐵屑作為工業(yè)廢料，價格低廉、易于運輸，與污泥非直接混合方式投加（如，廢鐵屑以透水材料包裹后投加）也相對簡單。加之，廢鐵屑投入?yún)捬跸瘜罄m(xù)磷回收（藍鐵礦）及除臭（H2S）均有作用。因此，我們提出將廢鐵屑用于剩余污泥厭氧消化，以同時實現(xiàn)廢物利用和能源回收。前期實驗表明，廢鐵屑可有效強化產(chǎn)甲烷（CH4）過程，但促進機理還未見報道。文章就廢鐵屑強化污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷過程開展實驗研究與機理探討。
為分析廢鐵屑加入污泥厭氧消化系統(tǒng)后對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，實驗設(shè)計從物理、化學(xué)、生物三個角度全面分析廢鐵屑促進甲烷增產(chǎn)機理。在物理作用方面，廢鐵屑作為還原性鐵具有降低系統(tǒng)氧化還原電位（ORP）的作用，較低的ORP可能會促使甲烷增產(chǎn)；從化學(xué)作用角度，鐵腐蝕析H2作為產(chǎn)甲烷菌底物也具有使甲烷增產(chǎn)的可能性；于微生物作用機理，廢鐵屑介入?yún)捬跸到y(tǒng)一方面可以增加構(gòu)成微生物細胞必備的鐵元素，促進厭氧微生物細胞生長和繁殖，另一方面還可促進厭氧微生物細胞內(nèi)酶的合成并激活酶。
為分析廢鐵屑在以上三個方面的貢獻大小，主體實驗采用兩相厭氧消化步驟，將10 g/L廢鐵屑分別加入酸化相和產(chǎn)甲烷相，觀察廢鐵屑介入后有機物降解情況、ORP變化、VFAs積累、生物氣產(chǎn)量、鐵濃度、微生物群落結(jié)構(gòu)和酶活變化，以此分析廢鐵屑強化甲烷增產(chǎn)的作用機理。實驗得出以下結(jié)論：
- 當(dāng)廢鐵屑分別投加到酸化相和產(chǎn)甲烷相中，甲烷產(chǎn)量分別提高10.1%和21.4%，與之對應(yīng)VSS去除率分別增加5.0%和13.2%；
- 廢鐵屑對ORP的改變并不顯著，沒有改變酸化類型，表明廢鐵屑并不會通過降低ORP的途徑使得甲烷增產(chǎn)；
- 酸化相和產(chǎn)甲烷相中因析H2腐蝕引起的甲烷增產(chǎn)量分別占全部甲烷增量的1.26%和2.14%，鐵腐蝕析H2并非廢鐵屑強化污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷的主要原因；
- 廢鐵屑對厭氧消化微生物的生長繁殖具有積極的刺激作用。加入廢鐵屑后使得酸化相中的丙酸轉(zhuǎn)乙酸菌、丁酸轉(zhuǎn)乙酸菌、同型產(chǎn)乙酸菌、異養(yǎng)產(chǎn)甲烷菌和自養(yǎng)產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量分別增加41.4%、35.0%、52.5%、47.2%和256.3%，產(chǎn)甲烷相中的異養(yǎng)產(chǎn)甲烷菌和自養(yǎng)產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量分別提高28.3%和72.0%；
- 廢鐵屑可促進厭氧消化微生物的新陳代謝，對酸化相和產(chǎn)甲烷相中諸多酶活性均有提升，使得酸化相中脫氫酶、POR、PTA、AK、PTB和BK的活性分別提高88.1%、20.1倍、50.6 %、47.8%、70.8%、50.0%，產(chǎn)甲烷相中輔酶F420活性高23.9倍，且對含鐵酶的活性增強更為顯著。
- 鐵降低ORP改變酸化類型對甲烷增產(chǎn)幾乎沒有貢獻；鐵腐蝕析H2對甲烷總增產(chǎn)量貢獻3.7%；除鐵降低ORP和鐵腐蝕析氫以外的其他因素可使甲烷增產(chǎn)96.3%。
丨原文信息丨
原文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043135417302324
轉(zhuǎn)載：WaterResearch
