零價(jià)鐵投加對污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)短鏈脂肪酸的影響

蔡 梅，吳 宇

(江蘇維爾思環(huán)境工程有限公司，江蘇 鹽城 224000)

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零價(jià)鐵投加對污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)短鏈脂肪酸的影響

蔡 梅，吳 宇

(江蘇維爾思環(huán)境工程有限公司，江蘇 鹽城 224000)

污水處理廠的污水處理過程會(huì)伴隨產(chǎn)生大量的污泥，如何解決剩余污泥帶來的環(huán)境問題、實(shí)現(xiàn)污泥的資源化利用成為研究熱點(diǎn)。在污泥厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中添加零價(jià)鐵，研究投加粒徑、投加量、pH和溫度等因素對產(chǎn)酸的影響。結(jié)果表明，零價(jià)鐵投加能有效促進(jìn)污泥發(fā)酵產(chǎn)酸，在5.0 g/L納米級零價(jià)鐵投加量、pH 7.0、37 ℃的適應(yīng)條件下，污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸量在第4天達(dá)到最大值。

零價(jià)鐵；污泥厭氧發(fā)酵；短鏈脂肪酸；pH；溫度

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展和人口數(shù)量的增加，城市生活污水的排放量與日俱增。目前國內(nèi)主要采用的生物法污水處理工藝，具有效率高、費(fèi)用低、能耗低、出水水質(zhì)好、管理簡單等優(yōu)點(diǎn)，但過程中約大量的有機(jī)物轉(zhuǎn)化成初沉污泥和剩余污泥。這些污泥含有大量有機(jī)物和微生物等污染物質(zhì)，必須對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚硖幹?，使其變廢為寶，轉(zhuǎn)化為可利用的資源。

圖1 污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸過程

目前污泥資源化利用的途徑主要有堆肥、發(fā)酵產(chǎn)酸、產(chǎn)甲烷、建材利用等[1]。污泥厭氧發(fā)酵過程可分為四階段[2]：分解階段、大分子物質(zhì)的水解階段、可溶性小分子的發(fā)酵產(chǎn)酸階段、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段。污泥厭氧發(fā)酵生產(chǎn)短鏈脂肪酸(以下簡稱SCFAs)既在發(fā)酵產(chǎn)酸階段，見圖1。

SCFAs作為污水中脫氮除磷微生物的重要的有機(jī)碳源，在污水處理過程中不僅顯著提高污水生物脫氮除磷效果，還可以實(shí)現(xiàn)污泥減量化和資源化利用，減少環(huán)境污染問題。因此研究污水處理廠污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)SCFAs具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

零價(jià)鐵作為一種還原劑，由于低毒、廉價(jià)、易得等優(yōu)點(diǎn)在污染治理中很受歡迎，其原理為：在厭氧系統(tǒng)的內(nèi)部，零價(jià)鐵通過微電解、中和有機(jī)酸等方式釋放電子，自身將變成Fe2+，刺激厭氧微生物酶活性的提高，同時(shí)含碳高分子有機(jī)化合物與零價(jià)鐵組成微電解池，促進(jìn)高分子有機(jī)物變?yōu)橹械头肿?，便于厭氧微生物利用[3]。目前已有零價(jià)鐵處理難降解廢水方面的相關(guān)報(bào)道[4-5]，但零價(jià)鐵技術(shù)用于污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)短鏈脂肪酸方面的研究報(bào)道較少。本文在污泥發(fā)酵系統(tǒng)中投加零價(jià)鐵，考察不同工況條件下(零價(jià)鐵粒徑、投加量、pH、溫度等)，零價(jià)鐵對污泥厭氧發(fā)酵生產(chǎn)SCFAs的影響，以期為促進(jìn)污泥減量化、資源化提供一種的新思路和方法。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

污泥采用取自污水處理廠回流污泥泵房的新鮮剩余污泥，置于4 ℃下靜置沉降24 h并排除上清液，試驗(yàn)時(shí)根據(jù)需要進(jìn)行濃度稀釋或濃縮。

1.2 試驗(yàn)裝置

自制有機(jī)玻璃厭氧發(fā)酵反應(yīng)器，有效容積為5.0 L，內(nèi)徑75 mm，配有機(jī)械攪拌器對污泥進(jìn)行攪拌(100 r/min)，使污泥處于完全混合狀態(tài)。反應(yīng)器配置pH和溫度控制裝置實(shí)時(shí)監(jiān)控反應(yīng)器內(nèi)的pH和溫度，采用集氣袋收集發(fā)酵產(chǎn)氣。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 添加零價(jià)鐵對產(chǎn)SCFAs的影響

取2個(gè)相同的厭氧反應(yīng)器，控制反應(yīng)器內(nèi)初始條件為：揮發(fā)性懸浮固體濃度(以下簡稱VSS濃度)18308 mg/L，溫度20 ℃，pH 7.0。1號反應(yīng)器內(nèi)添加2 g/L微米級零價(jià)鐵，2號反應(yīng)器不添加零價(jià)鐵，作為空白對照實(shí)驗(yàn)，考察零價(jià)鐵對污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)SCFAs的影響。

1.3.2 不同粒徑零價(jià)鐵對產(chǎn)SCFAs的影響

取4個(gè)相同的厭氧反應(yīng)器，控制反應(yīng)器內(nèi)初始條件為：VSS濃度18308 mg/L，溫度20 ℃，pH 7.0。1-3號反應(yīng)器內(nèi)投加2 g/L零價(jià)鐵，粒徑分別為毫米級、微米級、納米級，4號反應(yīng)器不添加零價(jià)鐵，作為空白對照實(shí)驗(yàn)，考察不同粒徑零價(jià)鐵對污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)SCFAs的影響。

1.3.3 納米級零價(jià)鐵投加量對產(chǎn)SCFAs的影響

取6個(gè)相同的厭氧反應(yīng)器，控制反應(yīng)器內(nèi)初始條件為：VSS濃度18308 mg/L，溫度20 ℃，pH 7.0。1-5號反應(yīng)器內(nèi)分別投加0.5 g/L、1.0 g/L、2.0 g/L、5.0 g/L和10.0 g/L的納米級零價(jià)鐵，6號反應(yīng)器不添加零價(jià)鐵，作為空白對照實(shí)驗(yàn)，考察納米級零價(jià)鐵投加量對污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)SCFAs的影響。

1.3.4 pH對零價(jià)鐵促進(jìn)污泥發(fā)酵產(chǎn)SCFAs的影響

取8個(gè)相同的厭氧反應(yīng)器，控制反應(yīng)器內(nèi)初始條件為：VSS濃度18308 mg/L，溫度20 ℃，投加5 g/L納米級零價(jià)鐵。采用2 mol/L的NaOH或HCl溶液調(diào)節(jié)反應(yīng)器內(nèi)的pH值，1～7號反應(yīng)器內(nèi)的pH值分別為5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0和11.0，8號反應(yīng)器不調(diào)節(jié)PH值，作為空白對照實(shí)驗(yàn)，考察pH值對零價(jià)鐵促進(jìn)污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)SCFAs的影響。

1.3.5 溫度對零價(jià)鐵促進(jìn)污泥發(fā)酵產(chǎn)SCFAs的影響

取3個(gè)相同的厭氧反應(yīng)器，控制反應(yīng)器內(nèi)初始條件為：VSS濃度18308 mg/L，pH 7.0，投加5 g/L納米級零價(jià)鐵。1～3號反應(yīng)器內(nèi)溫度分別控制在20 ℃(常溫)、37 ℃(中溫)和55 ℃(高溫)，考察溫度對零價(jià)鐵促進(jìn)污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)SCFAs的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 添加零價(jià)鐵對污泥發(fā)酵產(chǎn)SCFAs的影響

在污泥厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中，首先對添加零價(jià)鐵的影響效果進(jìn)行初步研究，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。在污泥厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中添加零價(jià)鐵能有效提高污泥厭氧處理效果，添加2 g/L微米級的零價(jià)鐵的產(chǎn)SCFAs量是未添加零價(jià)鐵的1.8倍。在后續(xù)試驗(yàn)中，將進(jìn)一步對零價(jià)鐵粒徑、投加量、pH值和溫度等影響因素進(jìn)行深入研究。

圖2 添加零價(jià)鐵對污泥發(fā)酵產(chǎn)酸的影響

2.2 不同粒徑零價(jià)鐵對污泥發(fā)酵產(chǎn)SCFAs的影響

由圖3可以看出，隨著在污泥發(fā)酵系統(tǒng)中投加零價(jià)鐵粒徑的減小，污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)SCFAs量逐漸增大。分析原因是在零價(jià)鐵粒徑減小時(shí)，顆粒比表面積變大，可以提供更多的電子參與到污泥厭氧發(fā)酵反應(yīng)中，能有效促進(jìn)污泥厭氧發(fā)酵反應(yīng)，提高污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)SCFAs量。但現(xiàn)實(shí)操作過程中，當(dāng)零價(jià)鐵粒徑太小時(shí)，顆粒間容易結(jié)塊，從而消弱鐵屑的活性。

圖3 零價(jià)鐵粒徑對污泥發(fā)酵產(chǎn)酸的影響

2.3 納米零價(jià)鐵投加量對污泥發(fā)酵產(chǎn)SCFAs的影響

由圖4可以看出，在任意發(fā)酵時(shí)間，污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)SCFAs量與納米級零價(jià)鐵投加量和厭氧發(fā)酵時(shí)間均成正比例關(guān)系，在第四天污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)SCFAs量達(dá)到最大值。

圖4 納米零價(jià)鐵投加量對污泥發(fā)酵產(chǎn)酸的影響

在投加量在0.5～5.0 g/L之間，污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)SCFAs量顯著增加。納米級零價(jià)鐵的投加，使系統(tǒng)中出現(xiàn)了大量的微電解池，加快污泥中有機(jī)物向有機(jī)酸的轉(zhuǎn)化速率，同時(shí)適量的鐵離子溶出也使系統(tǒng)中微生物酶的活性及種群結(jié)構(gòu)得到明顯改善[6]。在投加10.0 g/L的納米零價(jià)鐵時(shí)，污泥發(fā)酵系統(tǒng)中產(chǎn)SCFAs量的增速明顯放緩，因此確定納米零價(jià)鐵的最佳投加量為5.0 g/L。

2.4 pH對零價(jià)鐵促進(jìn)污泥發(fā)酵產(chǎn)SCFAs的影響

圖5 pH和發(fā)酵時(shí)間對總SCFAs產(chǎn)量的影響

由圖5可以看出，在任意發(fā)酵時(shí)間，在pH為7時(shí)，污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)SCFAs量最大。污泥的厭氧發(fā)酵產(chǎn)SCFAs反應(yīng)其本質(zhì)是產(chǎn)酸菌生長代謝過程，pH過高或過低會(huì)影響厭氧微生物酶的活性，導(dǎo)致微生物代謝生長繁殖速率和代謝途徑發(fā)生變化[7]。在污泥厭氧發(fā)酵環(huán)境pH為7.0時(shí)，催化劑鐵元素以Fe2+的形式存在，有利于提高厭氧微生物酶活性。同時(shí)系統(tǒng)中的OH-能與偏堿性條件下生成H+迅速反應(yīng)，從而增加有機(jī)物的溶出并阻斷產(chǎn)甲烷途徑[2,8]，促進(jìn)厭氧發(fā)酵產(chǎn)SCFAs的生成和積累。

在任意pH條件下，污泥厭氧發(fā)酵第4天產(chǎn)SCFAs量達(dá)到峰值。隨著發(fā)酵時(shí)間的延長，污泥厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中形成有利于產(chǎn)甲烷的環(huán)境，產(chǎn)甲烷菌利用SCFAs為原料生長繁殖，釋放出甲烷，造成SCFAs總量開始下降，因此延長發(fā)酵時(shí)間不利于SCFAs的積累。在本試驗(yàn)中，通過添加零價(jià)鐵作催化劑，加快污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)SCFAs進(jìn)程，縮短厭氧發(fā)酵時(shí)間，減少發(fā)酵池的體積，減少占地面積和設(shè)備投資成本。因此零價(jià)鐵促進(jìn)污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的最佳pH與最佳發(fā)酵時(shí)間分別為pH 7.0與發(fā)酵第4天。

2.5 溫度對零價(jià)鐵促進(jìn)污泥發(fā)酵產(chǎn)SCFAs的影響

由圖6可以看出，在任意發(fā)酵時(shí)間，污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)SCFAs量隨著溫度的升高而增大，常溫時(shí)產(chǎn)SCFAs量最小，高溫時(shí)最大。但常溫和中溫相比，產(chǎn)SCFAs量相差不大，但保持高溫的反應(yīng)條件需要耗費(fèi)更多的能量[9]，因此中溫37 ℃為污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的最適溫度。

圖6 pH為7.0時(shí)溫度對總SCFAs產(chǎn)量的影響

3 結(jié) 論

在污泥發(fā)酵產(chǎn)酸過程中添加零價(jià)鐵有效催化促進(jìn)污泥發(fā)酵產(chǎn)酸反應(yīng)進(jìn)程，提高SCFAs產(chǎn)量。pH與溫度都是影響零價(jià)鐵促進(jìn)污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的重要因素。在最適納米零價(jià)鐵投加量的條件下，零價(jià)鐵促進(jìn)污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的最適pH與最適溫度分別是7.0與37 ℃(中溫)，且產(chǎn)酸量在發(fā)酵第4天達(dá)到最大值。

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Influence of Adding Zero-valent Iron on Short-chain Fatty Acids from Anaerobic Fermentation of Sludge

CAIMei,WUYu

(Jiangsu Wealth Environmental Engineering Co., Ltd., Jiangsu Yancheng 224000, China)

Sewage treatment process of wastewater treatment plant produces large amounts of sludge, solving the environmental problems of excess sludge and realizing the resource utilization of sludge have received much attention. In sludge anaerobic fermentation system, zero-valent iron was added to study the influence of factors such as particle size, dosing quantity, pH and temperature affected the quantity of produce acid. The results showed that zero-value iron can effectively promote the production of short chain fatty acids from anaerobic fermentation of sludge. Maximum of sludge anaerobic fermentation to produce acid peak was reached in the fourth day, under the optimum condition of 5.0 g/L nano-scale zero-valent iron dosing quantity, pH 7.0 and 37 ℃.

zero-value iron; anaerobic fermentation; short-chain fatty acids; pH; temperature

蔡梅(1987-)，女，工程師，主要從事污廢水治理和純水工程設(shè)計(jì)。

X705

A

1001-9677(2016)020-0064-03