廢鐵屑強化污泥厭氧消化產甲烷可行性分析

2023-05-18 09:56:19

摘要：

文章亮點

▼氫氣作為厭氧消化產甲烷過程的底物，為鐵腐蝕析氫促進甲烷增產提供理論基礎

▼鐵作為還原性物質具備降低氧化還原電位（ORP）進而改變酸化類型、實現甲烷增產的潛力

▼鐵作為微生物的重要必須元素具備促進產甲烷菌群生長繁殖的能力

▼含鐵酶在產甲烷過程中的重要作用預示了鐵可以通過促進厭氧消化酶促反應過程實現甲烷增產

▼生命周期評估（LCA）佐證了基于廢鐵屑的污泥厭氧消化技術對環境的積極影響及經濟合理性

文章簡介

隨著《巴黎協定》落槌，世界各地的一些污水處理廠的低碳運行甚至是碳中和規劃路線正逐步出現。這就要求污水處理廠應最大程度轉化污水中有機物或產生的剩余污泥所蘊含的有機能源，并將其生成可再生能源——甲烷。然而，剩余污泥能源轉化率較低一直都是限制厭氧消化技術廣為應用的瓶頸。在污泥預處理技術之外，向厭氧消化系統中投加廢鐵屑強化甲烷生產有望成為另一個提高能源轉化率的突破口，繼而實現“以廢促能、變廢為寶”的目的。本綜述從鐵腐蝕析氫現象入手，在描述鐵腐蝕析氫原理、析出H₂對產CH₄過程影響的基礎上，對鐵在厭氧系統ORP減少方面的作用、對厭氧微生物生理、生化特性的影響、對涉及微生物酶活的影響等進行了全面的介紹。最后，還通過生命周期評估（LCA）評價了基于廢鐵屑的污泥厭氧消化技術對環境的影響及經濟合理性。

向厭氧消化系統中投加廢鐵屑，其腐蝕析出的氫可持續為嗜氫產甲烷菌和同型產乙酸菌/嗜乙酸產甲烷菌提供底物，直接（自養）或間接（異養）促進CH4增產。與此同時，鐵作為還原性物質在厭氧系統中還可以降低反應系統ORP，引起酸化類型轉變、減少丙酸積累，生成更多產甲烷菌能夠直接利用的乙酸，進一步促進CH4增產。著眼于微生物角度，廢鐵屑介入厭氧消化系統一方面可以增加構成微生物細胞必備的微量元素，促進厭氧微生物細胞的生長和繁殖；另一方面還可促進厭氧微生物細胞內酶的合成并激活酶。

生命周期評估（LCA）顯示，廢鐵屑強化厭氧消化系統CH₄增產技術不僅經濟上合理，而且因獲得的CH4增量可使外源能源消耗產生的CO₂排放量大為降低。以日處理水量30萬m³·d-1的污水處理廠為例進行計算，向厭氧消化池投加Fe獲得的CH₄增量參照之前實驗予以放大。根據該實驗結果，向污泥厭氧消化系統中投加33g/L廢鐵屑（8mm×3mm×0.5mm）可獲得25.3%的CH₄增量，據此可計算舉例污水處理LCA評估參數。根據LCA評估結果，基于廢鐵屑強化污泥厭氧消化技術，并將產生的生物氣用于熱電聯產（CHP），與沒有投加廢鐵屑的厭氧消化技術相比，每年可節省資金184萬元·yr-1，并減少CO₂排量1 660 t CO₂·yr-1，說明基于廢鐵屑的污泥厭氧消化技術完全可以實現環境、經濟和社會效益三統一，使污水處理走上可持續發展之路。

重要結論

本團隊通過對廢鐵屑加入剩余污泥厭氧消化系統中可能會引起的一系列物理、化學、生物方面的變化，全面論述了廢鐵屑促進厭氧消化產甲烷的技術可行性。同時，依據現有實驗數據對污水廠的生命周期評估（LCA）又證實了該技術的經濟可行性。為后續實驗研究及技術應用提供了理論支撐并指明了方向。