廢鐵屑強化剩余污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷機理研究
文章亮點：
▼向剩余污泥厭氧消化系統(tǒng)中投加廢鐵屑可以促進甲烷增產(chǎn)，根據(jù)投加階段的不同，甲烷增產(chǎn)量可達21.4%
▼廢鐵屑難以通過降低系統(tǒng)氧化還原電位（ORP）進而改變酸化類型的途徑實現(xiàn)甲烷增產(chǎn)
▼因鐵析氫腐蝕產(chǎn)生H2的速率極為緩慢，廢鐵屑通過鐵腐蝕析氫途徑實現(xiàn)的甲烷增產(chǎn)極其有限，貢獻率僅為3.7%
▼廢鐵屑對微生物的新陳代謝和生長繁殖強化效果明顯，對甲烷增產(chǎn)貢獻高達96.3%，鐵對微生物群落的刺激作用為其對甲烷產(chǎn)量促進的主要原因。
文章簡介
近年來，全球變暖問題凸顯，極端氣候問題威脅著人類的生存安全《巴黎協(xié)定》的簽訂，象征著人類生活全面向“碳中和”轉(zhuǎn)變的開始。污水處理廠作為能量消耗大戶，欲實現(xiàn)“碳中和”運行之道，有效方法之一即是強化剩余污泥的厭氧消化過程，提高從剩余污泥中有機物(COD)向能量(CH4)轉(zhuǎn)化的效率，從而回收更多的能量，以抵消污水處理中的高額能耗。而已有研究確定，鐵可在厭氧消化的過程中促進甲烷的產(chǎn)生，且已有工程應(yīng)用案例，但其背后的機理并不明確。
基于此，本團隊設(shè)計兩相厭氧消化實驗，建立了產(chǎn)酸階段與產(chǎn)甲烷階段兩個反應(yīng)器，分別從兩個階段分析廢鐵強化厭氧消化的機制。廢鐵屑作為一種工業(yè)廢渣，其無疑是極為適合的實驗材料。通過半連續(xù)實驗發(fā)現(xiàn)，分別在產(chǎn)酸階段與產(chǎn)甲烷階段加入10g Fe/L的廢鐵屑后，甲烷產(chǎn)量提升了10.1%與21.4%，可揮發(fā)性懸浮固體降解效率提高5%和13.2%，確定了廢鐵屑對甲烷產(chǎn)量的促進作用。同時，基本上排除了廢鐵屑通過降低ORP和析氫腐蝕作用促進甲烷產(chǎn)生的可能性：微生物的還原作用優(yōu)先于鐵腐蝕，因而廢鐵屑并不能顯著降低系統(tǒng)ORP，亦無法改變酸化階段發(fā)酵類型；而鐵析氫腐蝕產(chǎn)生H2的速度極為緩慢，對甲烷產(chǎn)量的影響有限，貢獻率僅為3.7%。測定FISH與相關(guān)微生物酶活性后發(fā)現(xiàn)，廢鐵屑對厭氧菌的分解代謝和合成代謝活動有較強的刺激作用：廢鐵屑可以促進相關(guān)厭氧微生物的繁殖，使細菌數(shù)量大幅升高；廢鐵屑可促進微生物的新陳代謝作用，使微生物的脫氫酶活性顯著提升；廢鐵屑還可能強化了難降解有機物的分解，增強電子傳遞效率以及零價鐵作為電子供體直接參與了部分反應(yīng)。綜合來看，廢鐵屑對微生物活動強化的效果，占據(jù)其對甲烷促進效果作用貢獻高達96.3%。可見，鐵對微生物群落的刺激作用為其對甲烷產(chǎn)量促進的主要原因。
重要結(jié)論
廢鐵屑理論上雖然可以通過降低系統(tǒng)ORP以及鐵腐蝕析氫的途徑促進甲烷增產(chǎn)，但在實際厭氧消化系統(tǒng)中因微生物本身的還原作用優(yōu)先于鐵腐蝕的化學(xué)作用，廢鐵屑因化學(xué)原因形成的甲烷增產(chǎn)微乎其微，其對微生物生長繁殖和新陳代謝的有力強化是甲烷增產(chǎn)的主要推動力。
原文信息：
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