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摘自《中國沼氣》第6期 張磊 鄭重 魏春飛 趙勇嬌 單連斌 許丹宇 季民 王睿

目前城鎮污水處理廠(chǎng)普遍采用生物處理方法,  污水生物處理過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生大量的剩余污泥,其產(chǎn)  生量約為污水處理量的0.3%-0.5%(含水率  97%)21。由于剩余污泥中含有大量的有機質(zhì)、病  原菌和重金屬等物質(zhì),為避免環(huán)境風(fēng)險和資源浪費,  常采用沼氣工程沼氣池厭氧消化技術(shù)對剩余污泥進(jìn)行穩定化和減量  化處理,同時(shí)獲得沼氣回收能源3。  零價(jià)鐵或廢鐵屑在沼氣工程沼氣池厭氧環(huán)境下易發(fā)生析氫腐  15-61,陽(yáng)極腐蝕釋放的Fe2是多種氧化還原酶的  蝕

重要組成元素,能夠提高微生物的代謝活性;陰  極析出的H2則能夠為產(chǎn)甲烷菌提供更多的底物),同時(shí)能夠降低沼氣工程沼氣池厭氧系統的氧化還原電位,緩沖pH值0,因此有研究人員嘗試利用其促進(jìn)剩

余污泥沼氣工程沼氣池厭氧產(chǎn)甲烷-12。

然而析氫腐蝕受pH值的影響較大,沼氣工程沼氣池厭氧消化的pH值要求維持在6.5-7.5之間,在此范圍內鐵的析氫腐蝕速率較慢。鐵碳微電解系統由零價(jià)鐵和活性炭組成,活性炭比表面積大,能夠增大系統的陰、陽(yáng)極面積比,增強鐵的電化學(xué)反應活性,且價(jià)格低廉,是理想的陰極材料。為此,本研究選擇不同鐵碳比組成的鐵碳微電解系統,考察其對剩余污泥在沼氣工程沼氣池厭氧消化過(guò)程中的強化效果,以期對剩余污泥的高效沼氣工程沼氣池厭氧消化提供理論依據。

1材料與方法

1.1污泥來(lái)源及性質(zhì)

試驗所用污泥取自某城鎮污水處理廠(chǎng),該廠(chǎng)運

行規模為5.0×104td-1,進(jìn)水以生活污水為主,工藝采用A20+高密度沉淀池+纖維濾池。污泥取自該廠(chǎng)回流污泥泵房,取樣后靜置沉淀24h至污泥含水率降至99%,棄去上清液,在4℃下保存備用。

試驗污泥沼氣工程沼氣池厭氧消化前進(jìn)行預處理。預處理過(guò)程為用5mol·L的氫氧化鈉溶液調節樣品pH值至10-11,攪拌6h后用2mol·L將樣品pH值調節至7.0±0.2。預處理完后的污泥與接種污泥按9:1比例混合,接種污泥為實(shí)驗室長(cháng)期馴化的沼氣工程沼氣池厭氧活性污泥。試驗污泥預處理前后及接種污泥性質(zhì)見(jiàn)表

1.2分析項目與方法

pH值,TSs,Vss按標準方法測定;TCOD和

SCOD采用HACH分光光度計(DR2800,USA)測

定;蛋白質(zhì)和糖類(lèi)分別采用考馬斯亮藍法和蔥酮-硫

酸法;氣體組分及揮發(fā)性脂肪酸(VFA)采用 Thermo

Scientific trace1300氣相色譜儀測定。試驗中測

定的水解酸化酶包括乙酸激酶、磷酸轉乙酰酶、丁酸

激酶和磷酸轉丁酰酶,測定依據Alen和 Ander-sch-1)等提出的方法。脫氫酶及輔酶F42測定采用分光光度法9。

1.3試驗裝置

試驗裝置為250mL的廣口試劑瓶,由橡膠塞密封瓶口;試劑瓶與氣袋由玻璃管和乳膠管連接,發(fā)酵過(guò)程的產(chǎn)氣量采用玻璃注射器定時(shí)測定排氣量;溫控裝置為恒溫水浴鍋,控溫精度為±1℃。

1.4試驗方法

向每個(gè)試劑瓶中加入10g的零價(jià)鐵粉,一組試劑瓶作為對照組,未加入活性炭,記為R;其它3組試劑瓶依次加入2g,5g,10g活性炭,構成鐵碳比為5:1,2:1和1:1的試驗組,依次記為R1,R2和R3。

本實(shí)驗分為兩個(gè)階段,第1階段在加入接種污泥和底物后,向試劑瓶?jì)燃尤?0mM溴乙基磺酸鈉

(BESA)抑制產(chǎn)甲烷過(guò)程,以考察鐵碳微電解對污泥水解酸化的影響,反應周時(shí)間為3d;第2階段主  要考察鐵碳微電解對污泥產(chǎn)甲烷的影響,反應時(shí)間為30d。

沼氣工程沼氣池厭氧消化前所有試劑瓶均使用氮氣曝氣去除氧氣,反應溫度設定為35℃,振蕩速率為120mm。

2結果與討論

2.1鐵碳微電解對污泥水解酸化的影響

水解酸化是沼氣工程沼氣池厭氧消化的第1階段,在該階段蛋白質(zhì)、糖類(lèi)等復雜的大分子有機物在水解發(fā)酵菌群的作用下被最終分解成諸如丙酸、丁酸等低級有機酸,該階段一般為污泥沼氣工程沼氣池厭氧消化的限速步驟。

圖1和圖2為在抑制產(chǎn)甲烷的條件下,發(fā)酵3d后的污泥上清液中蛋白質(zhì)和多糖的濃度變化。由圖可知,水解酸化結束后,對照組R上清液中的溶解性蛋白濃度為257.0±22.3mg:L,溶解性多糖濃度為126.2±8.18mg·L。加入活性炭構成鐵碳原電池后,R1上清液中溶解性蛋白濃度較對照組R下降了20.3%,隨著(zhù)鐵碳比的升高,R2和R3上清液中溶解性蛋白濃度繼續降低,分別較對照組R下降了33.7%和40.9%;R1,R2和R3上清液中的溶解性多糖濃度較對照組R依次降低了29.3%,22.1%和32.0%。實(shí)驗結果顯示:鐵碳微電解對污泥的水解酸化具有促進(jìn)作用,而且對蛋白質(zhì)的水解  促進(jìn)作用在一定范圍內隨著(zhù)鐵碳比的增大而增強。  鐵碳微電解在水解酸化階段對VFA的影響如  圖3所示,VFA主要為乙酸、丙酸、丁酸和戊酸。在  各個(gè)反應器中,最主要的產(chǎn)物均為乙酸,R,R1,B2和R3中的乙酸濃度分別為85826±26.1mgL一,1079.6±40.1mg·L1,1235.6±38.9  L-1和1255.9±36.0mg·L。實(shí)驗結果顯示鐵碳微電解

能夠提高乙酸的產(chǎn)量,在鐵碳比為1:1時(shí)(R3),乙  酸產(chǎn)量最高,較對照組R提高了約46.3%;同時(shí)鐵  碳微電解也對丁酸的產(chǎn)生具有促進(jìn)作用,在鐵碳比  為2:1時(shí)(R2),丁酸產(chǎn)量最高為57.30±42.0  mgL,較對照組R提高了約61.3%。  2.2鐵碳微電解對污泥產(chǎn)甲烷的影響  本研究將累計甲烷產(chǎn)量進(jìn)行歸一化,以便于比  較。從圖4可知,經(jīng)鐵碳微電解強化后,剩余污泥厭  氧消化30d后累計甲烷產(chǎn)量有所提高。對照組R  的累計甲烷產(chǎn)量為188±5.71mL·gVss,實(shí)驗組  R1,R2,R3的累計甲烷產(chǎn)量依次較對照組提高了10.6%,28.7%和37.8%,累計甲烷產(chǎn)量隨著(zhù)鐵碳比的增大而提高。

鐵碳微電解主要從以下兩個(gè)方面提高甲烷產(chǎn)量。甲烷生成的生化途徑主要有3種,其中一種途徑是以乙酸為基質(zhì),將其分解成CH4和CO2,自然界中的甲烷有2/3通過(guò)該途徑生成2;因此鐵碳微電解在水解酸化階段對乙酸產(chǎn)生的促進(jìn)能夠為產(chǎn)甲烷菌提供更充足的底物。

另一方面,零價(jià)鐵在水溶液中會(huì )發(fā)生析氫腐蝕

現象,析出的H2可以作為嗜氫產(chǎn)甲烷過(guò)程和同型產(chǎn)乙酸過(guò)程的底物,促進(jìn)CH4產(chǎn)量的提高2。但是在中性條件,且缺乏電子受體的條件下,腐蝕速率較低;引人活性炭后,增大了原電池的陰、陽(yáng)極面積比和反應接觸面積,提高了電化學(xué)反應速率,強化了析氫腐蝕。

評價(jià)污泥沼氣工程沼氣池厭氧消化的另一個(gè)重要指標是VSS的減少量。由圖5可知,沼氣工程沼氣池厭氧消化結束后,對照組R的VsS降低到4.5±0.1g·L1,Vss分解率為26.1%;加入活性炭構成鐵碳微電解系統后,各實(shí)驗組的ⅤSS減量率均有提高,并隨著(zhù)鐵碳比的升高而升高,當鐵碳比為1:1(R3)時(shí),VS分解率達到最大,上升至35.9%。實(shí)驗結果顯示,鐵碳微電解能夠有效地促進(jìn)污泥的減量化。

2.3相關(guān)酶類(lèi)及輔酶的變化

乙酸激酶(AK)和磷酸轉乙酰酶(PA)是乙酸合成過(guò)程中的關(guān)鍵酶,丁酸激酶(BK)和磷酸轉丁酰  酶(PTB)則是丁酸合成過(guò)程中的關(guān)鍵酶1。如表2  所示,鐵碳微電解能夠顯著(zhù)改善以上酶類(lèi)的活性。在鐵碳比為1:1(R3)時(shí)各種酶活性最高,相比對照

組R提高約16.7%~60.0%,這是鐵碳微電解能夠提高乙酸和丁酸產(chǎn)生量的原因,同時(shí)也間接地提高了甲烷的產(chǎn)量

脫氫酶(DHA)是微生物降解有機污染物,獲得能量的必須酶,是沼氣工程沼氣池厭氧消化系統內微生物活性的重要表征指標21。輔酶F4在甲烷形成過(guò)程中起到重要作用,可以作為衡量產(chǎn)甲烷菌數量和活性的指標21。表3顯示,鐵碳微電解同樣提高了DHA活性及的輔酶F0濃度,鐵碳比為2:1(R2)時(shí)中DHA活性最好,較對照組R提高了15.1%,繼續提高鐵碳比DHA的活性不再增強;鐵碳比為1:1(R3)時(shí)中輔酶F42濃度最高,較對照組R提高了66.7%。DHA活性及輔酶F42濃度的變化與甲烷產(chǎn)量的變化呈現正相關(guān)。

結論

(1)鐵碳微電解在水解酸化階段能夠促進(jìn)蛋白質(zhì)、多糖的水解,并提高VFA中乙酸和丁酸的產(chǎn)量,其中乙酸產(chǎn)量提高了46.3%,丁酸產(chǎn)量提高了61.3%

(2)經(jīng)鐵碳微電解強化后,剩余污泥的產(chǎn)甲烷量提高了37.8%,Ss分解率也提高了9.8%,結果表明鐵碳微電解能夠促進(jìn)污泥沼氣工程沼氣池厭氧產(chǎn)甲烷及減量化

(3)鐵碳微電解能夠提高AK,PTA,BK,PTB及DHA多種酶類(lèi)的活性,及輔酶F420濃度,其變化趨勢與累計產(chǎn)甲烷量的變化基本一致,可以表征沼氣工程沼氣池厭氧消化系統產(chǎn)甲烷活性的大小。