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摘自《中国沼气》第6期 张磊 郑重 魏春飞 赵勇娇 单连斌 许丹宇 季民 王睿

目前城镇污水处理厂普遍采用生物处理方法,  污水生物处理过程中会产生大量的剩余污泥,其产  生量约为污水处理量的0.3%-0.5%(含水率  97%)21。由于剩余污泥中含有大量的有机质、病  原菌和重金属等物质,为避免环境风险和资源浪费,  常采用沼气工程沼气池厌氧消化技术对剩余污泥进行稳定化和减量  化处理,同时获得沼气回收能源3。  零价铁或废铁屑在沼气工程沼气池厌氧环境下易发生析氢腐  15-61,阳极腐蚀释放的Fe2是多种氧化还原酶的  蚀

重要组成元素,能够提高微生物的代谢活性;阴  极析出的H2则能够为产甲烷菌提供更多的底物),同时能够降低沼气工程沼气池厌氧系统的氧化还原电位,缓冲pH值0,因此有研究人员尝试利用其促进剩

余污泥沼气工程沼气池厌氧产甲烷-12。

然而析氢腐蚀受pH值的影响较大,沼气工程沼气池厌氧消化的pH值要求维持在6.5-7.5之间,在此范围内铁的析氢腐蚀速率较慢。铁碳微电解系统由零价铁和活性炭组成,活性炭比表面积大,能够增大系统的阴、阳极面积比,增强铁的电化学反应活性,且价格低廉,是理想的阴极材料。为此,本研究选择不同铁碳比组成的铁碳微电解系统,考察其对剩余污泥在沼气工程沼气池厌氧消化过程中的强化效果,以期对剩余污泥的高效沼气工程沼气池厌氧消化提供理论依据。

1材料与方法

1.1污泥来源及性质

试验所用污泥取自某城镇污水处理厂,该厂运

行规模为5.0×104td-1,进水以生活污水为主,工艺采用A20+高密度沉淀池+纤维滤池。污泥取自该厂回流污泥泵房,取样后静置沉淀24h至污泥含水率降至99%,弃去上清液,在4℃下保存备用。

试验污泥沼气工程沼气池厌氧消化前进行预处理。预处理过程为用5mol·L的氢氧化钠溶液调节样品pH值至10-11,搅拌6h后用2mol·L将样品pH值调节至7.0±0.2。预处理完后的污泥与接种污泥按9:1比例混合,接种污泥为实验室长期驯化的沼气工程沼气池厌氧活性污泥。试验污泥预处理前后及接种污泥性质见表

1.2分析项目与方法

pH值,TSs,Vss按标准方法测定;TCOD和

SCOD采用HACH分光光度计(DR2800,USA)测

定;蛋白质和糖类分别采用考马斯亮蓝法和葱酮-硫

酸法;气体组分及挥发性脂肪酸(VFA)采用 Thermo

Scientific trace1300气相色谱仪测定。试验中测

定的水解酸化酶包括乙酸激酶、磷酸转乙酰酶、丁酸

激酶和磷酸转丁酰酶,测定依据Alen和 Ander-sch-1)等提出的方法。脱氢酶及辅酶F42测定采用分光光度法9。

1.3试验装置

试验装置为250mL的广口试剂瓶,由橡胶塞密封瓶口;试剂瓶与气袋由玻璃管和乳胶管连接,发酵过程的产气量采用玻璃注射器定时测定排气量;温控装置为恒温水浴锅,控温精度为±1℃。

1.4试验方法

向每个试剂瓶中加入10g的零价铁粉,一组试剂瓶作为对照组,未加入活性炭,记为R;其它3组试剂瓶依次加入2g,5g,10g活性炭,构成铁碳比为5:1,2:1和1:1的试验组,依次记为R1,R2和R3。

本实验分为两个阶段,第1阶段在加入接种污泥和底物后,向试剂瓶内加入50mM溴乙基磺酸钠

(BESA)抑制产甲烷过程,以考察铁碳微电解对污泥水解酸化的影响,反应周时间为3d;第2阶段主  要考察铁碳微电解对污泥产甲烷的影响,反应时间为30d。

沼气工程沼气池厌氧消化前所有试剂瓶均使用氮气曝气去除氧气,反应温度设定为35℃,振荡速率为120mm。

2结果与讨论

2.1铁碳微电解对污泥水解酸化的影响

水解酸化是沼气工程沼气池厌氧消化的第1阶段,在该阶段蛋白质、糖类等复杂的大分子有机物在水解发酵菌群的作用下被最终分解成诸如丙酸、丁酸等低级有机酸,该阶段一般为污泥沼气工程沼气池厌氧消化的限速步骤。

图1和图2为在抑制产甲烷的条件下,发酵3d后的污泥上清液中蛋白质和多糖的浓度变化。由图可知,水解酸化结束后,对照组R上清液中的溶解性蛋白浓度为257.0±22.3mg:L,溶解性多糖浓度为126.2±8.18mg·L。加入活性炭构成铁碳原电池后,R1上清液中溶解性蛋白浓度较对照组R下降了20.3%,随着铁碳比的升高,R2和R3上清液中溶解性蛋白浓度继续降低,分别较对照组R下降了33.7%和40.9%;R1,R2和R3上清液中的溶解性多糖浓度较对照组R依次降低了29.3%,22.1%和32.0%。实验结果显示:铁碳微电解对污泥的水解酸化具有促进作用,而且对蛋白质的水解  促进作用在一定范围内随着铁碳比的增大而增强。  铁碳微电解在水解酸化阶段对VFA的影响如  图3所示,VFA主要为乙酸、丙酸、丁酸和戊酸。在  各个反应器中,最主要的产物均为乙酸,R,R1,B2和R3中的乙酸浓度分别为85826±26.1mgL一,1079.6±40.1mg·L1,1235.6±38.9  L-1和1255.9±36.0mg·L。实验结果显示铁碳微电解

能够提高乙酸的产量,在铁碳比为1:1时(R3),乙  酸产量最高,较对照组R提高了约46.3%;同时铁  碳微电解也对丁酸的产生具有促进作用,在铁碳比  为2:1时(R2),丁酸产量最高为57.30±42.0  mgL,较对照组R提高了约61.3%。  2.2铁碳微电解对污泥产甲烷的影响  本研究将累计甲烷产量进行归一化,以便于比  较。从图4可知,经铁碳微电解强化后,剩余污泥厌  氧消化30d后累计甲烷产量有所提高。对照组R  的累计甲烷产量为188±5.71mL·gVss,实验组  R1,R2,R3的累计甲烷产量依次较对照组提高了10.6%,28.7%和37.8%,累计甲烷产量随着铁碳比的增大而提高。

铁碳微电解主要从以下两个方面提高甲烷产量。甲烷生成的生化途径主要有3种,其中一种途径是以乙酸为基质,将其分解成CH4和CO2,自然界中的甲烷有2/3通过该途径生成2;因此铁碳微电解在水解酸化阶段对乙酸产生的促进能够为产甲烷菌提供更充足的底物。

另一方面,零价铁在水溶液中会发生析氢腐蚀

现象,析出的H2可以作为嗜氢产甲烷过程和同型产乙酸过程的底物,促进CH4产量的提高2。但是在中性条件,且缺乏电子受体的条件下,腐蚀速率较低;引人活性炭后,增大了原电池的阴、阳极面积比和反应接触面积,提高了电化学反应速率,强化了析氢腐蚀。

评价污泥沼气工程沼气池厌氧消化的另一个重要指标是VSS的减少量。由图5可知,沼气工程沼气池厌氧消化结束后,对照组R的VsS降低到4.5±0.1g·L1,Vss分解率为26.1%;加入活性炭构成铁碳微电解系统后,各实验组的ⅤSS减量率均有提高,并随着铁碳比的升高而升高,当铁碳比为1:1(R3)时,VS分解率达到最大,上升至35.9%。实验结果显示,铁碳微电解能够有效地促进污泥的减量化。

2.3相关酶类及辅酶的变化

乙酸激酶(AK)和磷酸转乙酰酶(PA)是乙酸合成过程中的关键酶,丁酸激酶(BK)和磷酸转丁酰  酶(PTB)则是丁酸合成过程中的关键酶1。如表2  所示,铁碳微电解能够显著改善以上酶类的活性。在铁碳比为1:1(R3)时各种酶活性最高,相比对照

组R提高约16.7%~60.0%,这是铁碳微电解能够提高乙酸和丁酸产生量的原因,同时也间接地提高了甲烷的产量

脱氢酶(DHA)是微生物降解有机污染物,获得能量的必须酶,是沼气工程沼气池厌氧消化系统内微生物活性的重要表征指标21。辅酶F4在甲烷形成过程中起到重要作用,可以作为衡量产甲烷菌数量和活性的指标21。表3显示,铁碳微电解同样提高了DHA活性及的辅酶F0浓度,铁碳比为2:1(R2)时中DHA活性最好,较对照组R提高了15.1%,继续提高铁碳比DHA的活性不再增强;铁碳比为1:1(R3)时中辅酶F42浓度最高,较对照组R提高了66.7%。DHA活性及辅酶F42浓度的变化与甲烷产量的变化呈现正相关。

结论

(1)铁碳微电解在水解酸化阶段能够促进蛋白质、多糖的水解,并提高VFA中乙酸和丁酸的产量,其中乙酸产量提高了46.3%,丁酸产量提高了61.3%

(2)经铁碳微电解强化后,剩余污泥的产甲烷量提高了37.8%,Ss分解率也提高了9.8%,结果表明铁碳微电解能够促进污泥沼气工程沼气池厌氧产甲烷及减量化

(3)铁碳微电解能够提高AK,PTA,BK,PTB及DHA多种酶类的活性,及辅酶F420浓度,其变化趋势与累计产甲烷量的变化基本一致,可以表征沼气工程沼气池厌氧消化系统产甲烷活性的大小。