废铁屑强化剩余污泥厌氧消化产甲烷机理研究

文章亮点：

▼向剩余污泥厌氧消化系统中投加废铁屑可以促进甲烷增产，根据投加阶段的不同，甲烷增产量可达21.4%

▼废铁屑难以通过降低系统氧化还原电位（ORP）进而改变酸化类型的途径实现甲烷增产

▼因铁析氢腐蚀产生H2的速率极为缓慢，废铁屑通过铁腐蚀析氢途径实现的甲烷增产极其有限，贡献率仅为3.7%

▼废铁屑对微生物的新陈代谢和生长繁殖强化效果明显，对甲烷增产贡献高达96.3%，铁对微生物群落的刺激作用为其对甲烷产量促进的主要原因。

文章简介

近年来，全球变暖问题凸显，极端气候问题威胁着人类的生存安全《巴黎协定》的签订，象征着人类生活全面向“碳中和”转变的开始。污水处理厂作为能量消耗大户，欲实现“碳中和”运行之道，有效方法之一即是强化剩余污泥的厌氧消化过程，提高从剩余污泥中有机物(COD)向能量(CH4)转化的效率，从而回收更多的能量，以抵消污水处理中的高额能耗。而已有研究确定，铁可在厌氧消化的过程中促进甲烷的产生，且已有工程应用案例，但其背后的机理并不明确。

基于此，本团队设计两相厌氧消化实验，建立了产酸阶段与产甲烷阶段两个反应器，分别从两个阶段分析废铁强化厌氧消化的机制。废铁屑作为一种工业废渣，其无疑是极为适合的实验材料。通过半连续实验发现，分别在产酸阶段与产甲烷阶段加入10g Fe/L的废铁屑后，甲烷产量提升了10.1%与21.4%，可挥发性悬浮固体降解效率提高5%和13.2%，确定了废铁屑对甲烷产量的促进作用。同时，基本上排除了废铁屑通过降低ORP和析氢腐蚀作用促进甲烷产生的可能性：微生物的还原作用优先于铁腐蚀，因而废铁屑并不能显著降低系统ORP，亦无法改变酸化阶段发酵类型；而铁析氢腐蚀产生H2的速度极为缓慢，对甲烷产量的影响有限，贡献率仅为3.7%。测定FISH与相关微生物酶活性后发现，废铁屑对厌氧菌的分解代谢和合成代谢活动有较强的刺激作用：废铁屑可以促进相关厌氧微生物的繁殖，使细菌数量大幅升高；废铁屑可促进微生物的新陈代谢作用，使微生物的脱氢酶活性显著提升；废铁屑还可能强化了难降解有机物的分解，增强电子传递效率以及零价铁作为电子供体直接参与了部分反应。综合来看，废铁屑对微生物活动强化的效果，占据其对甲烷促进效果作用贡献高达96.3%。可见，铁对微生物群落的刺激作用为其对甲烷产量促进的主要原因。

重要结论

废铁屑理论上虽然可以通过降低系统ORP以及铁腐蚀析氢的途径促进甲烷增产，但在实际厌氧消化系统中因微生物本身的还原作用优先于铁腐蚀的化学作用，废铁屑因化学原因形成的甲烷增产微乎其微，其对微生物生长繁殖和新陈代谢的有力强化是甲烷增产的主要推动力。

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