废铁屑强化污泥厌氧消化产甲烷可行性分析

2023-05-18 09:56:19

摘要：

文章亮点

▼氢气作为厌氧消化产甲烷过程的底物，为铁腐蚀析氢促进甲烷增产提供理论基础

▼铁作为还原性物质具备降低氧化还原电位（ORP）进而改变酸化类型、实现甲烷增产的潜力

▼铁作为微生物的重要必须元素具备促进产甲烷菌群生长繁殖的能力

▼含铁酶在产甲烷过程中的重要作用预示了铁可以通过促进厌氧消化酶促反应过程实现甲烷增产

▼生命周期评估（LCA）佐证了基于废铁屑的污泥厌氧消化技术对环境的积极影响及经济合理性

文章简介

随着《巴黎协定》落槌，世界各地的一些污水处理厂的低碳运行甚至是碳中和规划路线正逐步出现。这就要求污水处理厂应最大程度转化污水中有机物或产生的剩余污泥所蕴含的有机能源，并将其生成可再生能源——甲烷。然而，剩余污泥能源转化率较低一直都是限制厌氧消化技术广为应用的瓶颈。在污泥预处理技术之外，向厌氧消化系统中投加废铁屑强化甲烷生产有望成为另一个提高能源转化率的突破口，继而实现“以废促能、变废为宝”的目的。本综述从铁腐蚀析氢现象入手，在描述铁腐蚀析氢原理、析出H₂对产CH₄过程影响的基础上，对铁在厌氧系统ORP减少方面的作用、对厌氧微生物生理、生化特性的影响、对涉及微生物酶活的影响等进行了全面的介绍。最后，还通过生命周期评估（LCA）评价了基于废铁屑的污泥厌氧消化技术对环境的影响及经济合理性。

向厌氧消化系统中投加废铁屑，其腐蚀析出的氢可持续为嗜氢产甲烷菌和同型产乙酸菌/嗜乙酸产甲烷菌提供底物，直接（自养）或间接（异养）促进CH4增产。与此同时，铁作为还原性物质在厌氧系统中还可以降低反应系统ORP，引起酸化类型转变、减少丙酸积累，生成更多产甲烷菌能够直接利用的乙酸，进一步促进CH4增产。着眼于微生物角度，废铁屑介入厌氧消化系统一方面可以增加构成微生物细胞必备的微量元素，促进厌氧微生物细胞的生长和繁殖；另一方面还可促进厌氧微生物细胞内酶的合成并激活酶。

生命周期评估（LCA）显示，废铁屑强化厌氧消化系统CH₄增产技术不仅经济上合理，而且因获得的CH4增量可使外源能源消耗产生的CO₂排放量大为降低。以日处理水量30万m³·d-1的污水处理厂为例进行计算，向厌氧消化池投加Fe获得的CH₄增量参照之前实验予以放大。根据该实验结果，向污泥厌氧消化系统中投加33g/L废铁屑（8mm×3mm×0.5mm）可获得25.3%的CH₄增量，据此可计算举例污水处理LCA评估参数。根据LCA评估结果，基于废铁屑强化污泥厌氧消化技术，并将产生的生物气用于热电联产（CHP），与没有投加废铁屑的厌氧消化技术相比，每年可节省资金184万元·yr-1，并减少CO₂排量1 660 t CO₂·yr-1，说明基于废铁屑的污泥厌氧消化技术完全可以实现环境、经济和社会效益三统一，使污水处理走上可持续发展之路。

重要结论

本团队通过对废铁屑加入剩余污泥厌氧消化系统中可能会引起的一系列物理、化学、生物方面的变化，全面论述了废铁屑促进厌氧消化产甲烷的技术可行性。同时，依据现有实验数据对污水厂的生命周期评估（LCA）又证实了该技术的经济可行性。为后续实验研究及技术应用提供了理论支撑并指明了方向。