如何提高污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷的效率

1、如何提高污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷的效率 如何提高污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷的效率1 引言隨著有關(guān)全球氣候變化的 《巴黎協(xié)定》 落槌， 歐美國家業(yè)已制定的面向 2030 年污水 處理實現(xiàn)“碳中和”運行之目標及路線圖行將付諸實施.污水處理實現(xiàn)“碳中和”運行的狹義概念即能源自給自足.對污水處理廠來說， 唾手可得的能源來源便是剩余污泥.為此， 老生常談的污泥厭氧消化技術(shù)再次受到國際學界與業(yè)界的追捧， 這也使得剩余污泥這一污水處理的大“負擔”起死回生;作為一種

2、可再生能源的載體，當今國際學界普遍希望獲得污泥增量而非減量.只有這樣，方可能逼近污水處理“碳中和”實現(xiàn)目標.然而， 剩余污泥中穩(wěn)固的細菌細胞、 難降解的木質(zhì)纖維素類物質(zhì)、 以及本身難降解而又可能阻礙其它有機物降解的腐殖質(zhì)等限制著有機能源轉(zhuǎn)化率的提高.盡管目前存在多種針對“細胞破壁”、“木質(zhì)素/腐殖質(zhì)破穩(wěn)”的預處理技術(shù)，但這些預處理技術(shù)操作較為復雜、且消耗一定的資源與能源，有時還可能導致能源產(chǎn)量入不敷出.有鑒于此，通過添加外源廢氫或廢鐵屑

3、于厭氧系統(tǒng)內(nèi)原位產(chǎn)氫(H2)和甲烷(CH4)的生產(chǎn)方式近年來亦有人嘗試.其中， 向厭氧消化系統(tǒng)中投加廢鐵屑原位鐵腐蝕析H2 似乎具有 “以廢促能”的效果.所以，這種以廢促能的方式值得深入研究.廢鐵屑析 H2 腐蝕可為產(chǎn)甲烷菌提供更多底物——H2、H2 可促進有機物水解、H2 可結(jié)合內(nèi)源 CO2 轉(zhuǎn)化 CH4、或鐵可降低系統(tǒng)氧化還原電位(ORP)而改變酸化類型等多種功效.廢鐵屑為工業(yè)廢料，價格低廉、易于運輸，與污泥非直接混合方式投加 (如

4、，將廢鐵屑以透水材料包裹后投加)也相對簡單.進言之， 鐵腐蝕后產(chǎn)生的 Fe2+/Fe3+亦可通過鐵接觸除磷技術(shù)(PRICP)高效去除污泥消化液中形成的高濃度磷酸鹽(PO43-)： ①Fe0 吸附 PO43-;②利用 Fe0 在水中腐蝕產(chǎn)生的 Fe2+/Fe3+沉淀除磷;③Fe(OH)2 沉淀吸附溶液中的磷.其中，F(xiàn)e0直接吸附 PO43-起主導作用，所以， PO43-主要富集在鐵屑表面;通過將包裹廢鐵屑的透水網(wǎng)/包取出、清洗除去鐵屑表面

5、 PO43-，并進一步通過外加磁場方式誘導 Fe(OH)2、Fe3(PO4)2及 FePO4 沉淀可以實現(xiàn)磷回收.另一方面， 對鐵鹽的去除/回收還可避免鐵在厭氧消化系統(tǒng)中過多積累而導致污泥無機性增強、VSS 下降所引起的系統(tǒng)運行惡化情況的發(fā)生.除此之外，鐵與污泥中惡臭有機硫化物反應(yīng)還可去除污泥中的臭味、亦可降低生物氣中H2S 的含量.廢鐵屑強化污泥厭氧消化流程及作用如圖 1 所示.本文綜述廢鐵屑在強化厭氧消化產(chǎn)CH4 過程中可能引起的系

6、統(tǒng)理化特性變化、生物群落特征及其經(jīng)濟性等方面內(nèi)容 .(3)2.2 析氫速率鐵腐蝕析氫的速率直接決定了這一現(xiàn)象用于強化污泥厭氧消化的可行性 .若析氫速率低，則 CH4 增產(chǎn)作用不明顯，投入可能多于產(chǎn)出;若析氫速率大，則鐵的生命周期就會相應(yīng)縮短，造成系統(tǒng)運行不穩(wěn)定.根據(jù)式(1)，每 mol 的 Fe 可以生成 1 mol 的 H2.如果式(3)所示的反應(yīng)同時發(fā)生，則每 mol 鐵就會額外生成 0.33 mol 的 H2，但式(3)反應(yīng)進行的

7、程度不同，析氫速率也就不盡相同.由于鐵腐蝕析氫速率對其運用于厭氧消化過程至關(guān)重要， 所以， 目前有關(guān)鐵腐蝕析氫速率的研究呈上升趨勢，主要是通過測定厭氧系統(tǒng)內(nèi)氫分壓的變化來確定產(chǎn)氫速率 .有研究用零級反應(yīng)模型分別估算了 5 種形態(tài)鐵的產(chǎn)氫速率，并用實驗數(shù)據(jù)予以佐證;模型中將鐵腐蝕析出的氫分成進入鐵晶格中和溶入氣相與液相中兩份，產(chǎn)H2 計算方法以式(4)為依據(jù).由于鐵晶格中的氫多以氫原子形態(tài)存在，不直接參與污泥厭氧消化，所以，僅以Rapp

8、來模擬鐵腐蝕析氫速率.分析結(jié)果表明，對于粒徑(d)在 22~168μm 的鐵屑，其析氫速率在 0.2~3.03mmol· kg-1· d-1范圍， 實際H2產(chǎn)量在2.38~3.62 mL· d-1之間.也有人通過實驗測定d=0.5~2.0mm 鐵屑在水中腐蝕析氫的速率為 5.8×10-2 mg·kg-1·h-1，即，若要在1 h 內(nèi)產(chǎn)生 1 kg H2需要投加 1.7×

9、;108 kg 的鐵屑.在厭氧消化系統(tǒng)中，因酸化微生物存在，生成的有機弱酸會加速鐵腐蝕析氫，所以，鐵量實際需求應(yīng)少于計算結(jié)果.(4)式中，Rcorr 為校正后的析氫速率(mmol·kg-1·d-1);Rapp 為 H2 溶入液相和氣相中的速率(mmol·kg-1·d-1);ks 為西弗茨速率常數(shù)(mmol·kg-1·d-1·kPa-0.5);PH2 為平均氫分壓(kP

10、a).雖然理論上每 mol 的 Fe 可以生成 1~1.33 mol 的 H2，但在實際厭氧消化系統(tǒng)中，鐵腐蝕析氫速率受水質(zhì)和鐵的特征影響很大，如，水的pH、氧化還原電位(ORP)、堿度、溶解氧(DO)和鐵的比表面積等.有人分別測定了納米鐵(nZVI)、微米鐵(mZVI)和顆粒鐵(granularZVI)粒徑、比表面積(BET)與腐蝕速率之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)金屬顆粒粒徑越小、金屬比表面積越大，析氫腐蝕越迅速.有人也分析了鐵表面氧化產(chǎn)物對鐵腐

11、蝕析氫速率的影響，發(fā)現(xiàn)其作用主要表現(xiàn)在兩個方面：①鐵的氧化產(chǎn)物 (如 Fe3O4)可以促進電子轉(zhuǎn)移，進而提高鐵腐蝕析氫速率;②鐵的氧化產(chǎn)物在細胞表面過度積累會造成細胞結(jié)構(gòu)破壞，導致微生物活性下降、處理效果變差.可見，鐵表面適量氧化產(chǎn)物對鐵腐蝕析氫是有利的，但其量要保持在適度范圍之內(nèi)，否則會影響系統(tǒng)微生物活性，甚至導致運行失敗.2.3 H2 對產(chǎn) CH4 的影響H2 作為污泥厭氧消化過程中一種重要的中間產(chǎn)物，對水解酸化過程、同型產(chǎn)乙酸過程