纳米Fe强化污泥厌氧消化产甲烷的研究

克选

(甘肃省张掖市环境监测站　甘肃张掖 734000)



纳米Fe强化污泥厌氧消化产甲烷的研究

克选

(甘肃省张掖市环境监测站甘肃张掖 734000)

介绍了利用纳米Fe强化污泥高效产甲烷的方法。实验结果表明，纳米Fe最佳投放量为6 g/L，相应的甲烷产量(以VSS计)为198 mL/g。机理研究表明，纳米Fe能够促进污泥水解、酸化，进而促进甲烷的积累。

纳米Fe污泥厌氧消耗甲烷

0　引言

厌氧消化是一种有效处置污泥的方法，不仅能够实现污泥的减量化，同时还能回收能源物质甲烷。 厌氧过程包括水解、酸化及产甲烷3个过程[1]。厌氧消化反应过程由于水解速率缓慢导致产生的甲烷量较少。为了提高厌氧消化反应的水解速率，化学法、物理法、生物酶法等被广泛应用[2-3]。这些方法虽然能够很大程度地提高水解速率，但是需要消耗大量的能源或者化学药剂，在实际应用中常常受到限制。因此，需要一种经济实惠、能够最大程度提高污泥厌氧水解速率的方法。

纳米Fe是一种廉价、环境友好的还原性材料，近年来被广泛应用到污水处理、地下水修复以及土壤治理[4]。Chen等[5]报道纳米Fe能够降低系统中的氧化还原电势，为污泥的消化提供一个更加适合的环境。如果纳米Fe能够强化污泥的水解过程，那么污泥厌氧消化产甲烷的量就会随之增加，然而关于纳米Fe强化污泥厌氧产甲烷的报道并不多见。

本文介绍一种利用纳米Fe强化污泥厌氧产甲烷的方法。将不同含量的纳米Fe投加至污泥厌氧反应过程，确定强化污泥厌氧产甲烷的最佳纳米Fe投加量。通过分析纳米Fe对污泥厌氧消化过程水解、酸化产甲烷的影响探究其强化产甲烷的机理。

1　材料与方法

1.1污泥及纳米Fe

实验所用污泥取自某地污水处理厂，取回的污泥放置在4 ℃的冰箱内沉淀24 h，沉淀后污泥的性质见表1。由表1知，污泥中的主要成分为蛋白质及多糖。

纳米Fe购自上海某药剂公司，纳米Fe粒径大约在80～120 nm之间，平均粒径100 nm。

表1　原污泥的性质　mg/L

注：±表示3次测试的平均值。

1.2纳米Fe含量对污泥厌氧产甲烷的影响

纳米Fe的质量浓度选为0, 1, 3 ,6 g/L和9 g/L。实验在有效容积为2 L的厌氧反应器中进行，整个反应过程持续20 d，反应温度维持在20 ℃。反应器内置混合搅拌器，实现污泥与纳米Fe的充分混合；反应器的上方设置集气袋收集反应过程积累的气体。通过反应过程中气体的积累量就能确定纳米Fe的最佳投放量。

1.3检测方法

2　结果与讨论

2.1纳米Fe投加量对污泥厌氧产甲烷的影响

图1显示了整个反应过程中甲烷的积累情况。由图1可知，各反应器中甲烷积累量随着反应时间的延长不断增加，在空白组中甲烷最大积累量(以VSS计)为106 mL/g。当纳米Fe投加到污泥发酵体系时，系统的甲烷积累量明显提高，当纳米Fe的投加量分别为1，3，6和9 g/L时，系统甲烷最大积累量(以VSS计)分别为142，178，198和200 mL/g 。表明纳米Fe能够明显提高污泥厌氧反应系统甲烷的积累量。当纳米Fe的投加量超过6 g/L时，甲烷的积累量增长不明显。所以，纳米Fe的最佳投加量为6 g/L，与之相对应的最大甲烷积累量(以VSS计)为198 mL/g。

图1纳米Fe对污泥厌氧产甲烷的影响

2.2纳米Fe对污泥水解的影响

溶解性COD(SCOD)随时间的变化见图2。在前4天时间内，SCOD的量随反应时间不断增加，含纳米Fe的系统中SCOD的量明显高于空白组。SCOD的量能够反映污泥的破胞情况，SCOD量越大，表明污泥的破胞程度越高。当纳米Fe投加量为6 g/L时，在第3天SCOD为1 694 mg/L，而空白组SCOD为724 mg/L，实验组SCOD约为空白组的2.3倍，且在前4天水解期，投加纳米Fe的实验组SCOD的量均高于空白组。

VSS的减量也能很好地反映污泥的水解情况，第4天各反应器中污泥VSS减量情况见图3。第4天时，6 g/L纳米Fe实验组VSS减量29.6%，而空白组的VSS减量12.3%。可见，纳米Fe对污泥水解过程有促进作用。

图2各反应器中SCOD随时间的变化

图3各反应器中VSS的减量(第4天)

表2显示的是前4天溶解性蛋白质及溶解性多糖的变化。由表2可知，添加纳米Fe的实验组中溶解性蛋白质及多糖均高于空白组，反映纳米Fe能够强化污泥的水解过程。当纳米Fe的投加量在1～6 g/L范围内增加时，溶解性蛋白质及多糖的增加量较大，而纳米Fe的投加量超过6 g/L时，溶解性蛋白质及多糖增加不明显。这也间接证明了纳米Fe的最佳投放量为6 g/L。

表2　溶解性蛋白质和溶解性多糖随时间的变化　mg/L

2.3纳米Fe对污泥厌氧产酸的影响

纳米Fe投加量对SCFA(短链脂肪酸)浓度的影响见图4。由图4可知，实验组中SCFA的质量浓度要高于空白组，较高浓度的SCFA作为基质被随后的产甲烷过程所利用，这也是纳米Fe能够促进污泥厌氧产甲烷的一个原因。实验组的最大产酸积累量在第5天，而空白试验组最大产酸量在第15天。可见，纳米Fe同样能够促进污泥的厌氧水解过程。

图4各反应器中SCFA随时间的变化

2.4纳米Fe对污泥厌氧消化副产物氮磷的影响

3　结语

本文研究了纳米Fe强化污泥厌氧消化产甲烷的影响。实验结果表明，纳米Fe的最佳投放量为6 g/L，甲烷的产量(以VSS计)为198 mL/g；纳米Fe能够促进污泥的水解、酸化进而强化了污泥的甲烷产量。

[1]LYU W, Schanbacher F L, Yu Z. Putting microbes to work in sequence: recent advances in temperature-phased anaerobic digestion processes. Bioresour[J]. Technol，2010，101 (24)：9409-9414.

[2]Zhao J, Wang D, Li X, et al. Free nitrous acid serving as a pretreatment method for alkaline fermentation to enhance short-chain fatty acid production from waste activated sludge[J]. Water Res，2015，78：111-120.

[3]Chiu Y C, Chang C N, Lin J G, et al. Alkaline and ultrasonic pretreatment of sludge before anaerobic digestion[J]. Water Sci Technol,1997,36 (11):155-162.

[4]赵建伟，李小明，杨麒，等. 游离亚硝酸对好氧/延长闲置序批式反应器除磷性能的影响[J]. 环境科学学报，2014,34(7):1661-1667.

[5]Chen Y, Liu K, Su Y, et al. Continuous bioproduction of short-chain fatty acids from sludge enhanced by the combined use of surfactant and alkaline pH[J]. Bioresour Technol,2013,140:97-102.

[6]Liu Y, Zhang Y, Quan X, et al. Optimization of anaerobic acidogenesis by adding Fe0powder to enhance anaerobic wastewater treatment[J]. Chem Eng J,2012,192(1):179-185.

Study on the Production of Methane by Anaerobic Digestion of Nano Fe Sludge

KE Xuan

(ZhangyeEnvironmentalMonitoringStation,Zhangye,Gansu734000)

In this study, a new method based on nano Fe to enhance methane production from sludge anaerobic digestion is reported. Experimental results show that the optimum dosage of nano Fe is 6 g/L and the corresponding methane production is 198 mL/g VSS. Mechanism study shows Nano Fe can enhance sludge hydrolysis and acidification, thereby causing the enhancement of methane accumulation.

nano Fesludgeanaerobic digestionmethane

克选，1983年生，甘肃省张掖市环境监测站工程师，从事环境监测工作。

2015-08-20)