蔡 梅，吴 宇

(江苏维尔思环境工程有限公司，江苏 盐城 224000)



零价铁投加对污泥厌氧发酵产短链脂肪酸的影响

蔡 梅，吴 宇

(江苏维尔思环境工程有限公司，江苏 盐城 224000)

污水处理厂的污水处理过程会伴随产生大量的污泥，如何解决剩余污泥带来的环境问题、实现污泥的资源化利用成为研究热点。在污泥厌氧发酵系统中添加零价铁，研究投加粒径、投加量、pH和温度等因素对产酸的影响。结果表明，零价铁投加能有效促进污泥发酵产酸，在5.0 g/L纳米级零价铁投加量、pH 7.0、37 ℃的适应条件下，污泥厌氧发酵产酸量在第4天达到最大值。

零价铁；污泥厌氧发酵；短链脂肪酸；pH；温度

随着我国国民经济的持续快速发展和人口数量的增加，城市生活污水的排放量与日俱增。目前国内主要采用的生物法污水处理工艺，具有效率高、费用低、能耗低、出水水质好、管理简单等优点，但过程中约大量的有机物转化成初沉污泥和剩余污泥。这些污泥含有大量有机物和微生物等污染物质，必须对其进行适当的处理处置，使其变废为宝，转化为可利用的资源。

图1 污泥厌氧发酵产酸过程

目前污泥资源化利用的途径主要有堆肥、发酵产酸、产甲烷、建材利用等[1]。污泥厌氧发酵过程可分为四阶段[2]：分解阶段、大分子物质的水解阶段、可溶性小分子的发酵产酸阶段、产氢产乙酸阶段。污泥厌氧发酵生产短链脂肪酸(以下简称SCFAs)既在发酵产酸阶段，见图1。

SCFAs作为污水中脱氮除磷微生物的重要的有机碳源，在污水处理过程中不仅显著提高污水生物脱氮除磷效果，还可以实现污泥减量化和资源化利用，减少环境污染问题。因此研究污水处理厂污泥厌氧发酵产SCFAs具有重要的现实意义。

零价铁作为一种还原剂，由于低毒、廉价、易得等优点在污染治理中很受欢迎，其原理为：在厌氧系统的内部，零价铁通过微电解、中和有机酸等方式释放电子，自身将变成Fe2+，刺激厌氧微生物酶活性的提高，同时含碳高分子有机化合物与零价铁组成微电解池，促进高分子有机物变为中低分子，便于厌氧微生物利用[3]。目前已有零价铁处理难降解废水方面的相关报道[4-5]，但零价铁技术用于污泥厌氧发酵产短链脂肪酸方面的研究报道较少。本文在污泥发酵系统中投加零价铁，考察不同工况条件下(零价铁粒径、投加量、pH、温度等)，零价铁对污泥厌氧发酵生产SCFAs的影响，以期为促进污泥减量化、资源化提供一种的新思路和方法。

1 实 验

1.1 试验材料

污泥采用取自污水处理厂回流污泥泵房的新鲜剩余污泥，置于4 ℃下静置沉降24 h并排除上清液，试验时根据需要进行浓度稀释或浓缩。

1.2 试验装置

自制有机玻璃厌氧发酵反应器，有效容积为5.0 L，内径75 mm，配有机械搅拌器对污泥进行搅拌(100 r/min)，使污泥处于完全混合状态。反应器配置pH和温度控制装置实时监控反应器内的pH和温度，采用集气袋收集发酵产气。

1.3 实验方法

1.3.1 添加零价铁对产SCFAs的影响

取2个相同的厌氧反应器，控制反应器内初始条件为：挥发性悬浮固体浓度(以下简称VSS浓度)18308 mg/L，温度20 ℃，pH 7.0。1号反应器内添加2 g/L微米级零价铁，2号反应器不添加零价铁，作为空白对照实验，考察零价铁对污泥厌氧发酵产SCFAs的影响。

1.3.2 不同粒径零价铁对产SCFAs的影响

取4个相同的厌氧反应器，控制反应器内初始条件为：VSS浓度18308 mg/L，温度20 ℃，pH 7.0。1-3号反应器内投加2 g/L零价铁，粒径分别为毫米级、微米级、纳米级，4号反应器不添加零价铁，作为空白对照实验，考察不同粒径零价铁对污泥厌氧发酵产SCFAs的影响。

1.3.3 纳米级零价铁投加量对产SCFAs的影响

取6个相同的厌氧反应器，控制反应器内初始条件为：VSS浓度18308 mg/L，温度20 ℃，pH 7.0。1-5号反应器内分别投加0.5 g/L、1.0 g/L、2.0 g/L、5.0 g/L和10.0 g/L的纳米级零价铁，6号反应器不添加零价铁，作为空白对照实验，考察纳米级零价铁投加量对污泥厌氧发酵产SCFAs的影响。

1.3.4 pH对零价铁促进污泥发酵产SCFAs的影响

取8个相同的厌氧反应器，控制反应器内初始条件为：VSS浓度18308 mg/L，温度20 ℃，投加5 g/L纳米级零价铁。采用2 mol/L的NaOH或HCl溶液调节反应器内的pH值，1～7号反应器内的pH值分别为5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0和11.0，8号反应器不调节PH值，作为空白对照实验，考察pH值对零价铁促进污泥厌氧发酵产SCFAs的影响。

1.3.5 温度对零价铁促进污泥发酵产SCFAs的影响

取3个相同的厌氧反应器，控制反应器内初始条件为：VSS浓度18308 mg/L，pH 7.0，投加5 g/L纳米级零价铁。1～3号反应器内温度分别控制在20 ℃(常温)、37 ℃(中温)和55 ℃(高温)，考察温度对零价铁促进污泥厌氧发酵产SCFAs的影响。

2 结果与讨论

2.1 添加零价铁对污泥发酵产SCFAs的影响

在污泥厌氧发酵系统中，首先对添加零价铁的影响效果进行初步研究，试验结果如图2所示。在污泥厌氧发酵系统中添加零价铁能有效提高污泥厌氧处理效果，添加2 g/L微米级的零价铁的产SCFAs量是未添加零价铁的1.8倍。在后续试验中，将进一步对零价铁粒径、投加量、pH值和温度等影响因素进行深入研究。

图2 添加零价铁对污泥发酵产酸的影响

2.2 不同粒径零价铁对污泥发酵产SCFAs的影响

由图3可以看出，随着在污泥发酵系统中投加零价铁粒径的减小，污泥厌氧发酵产SCFAs量逐渐增大。分析原因是在零价铁粒径减小时，颗粒比表面积变大，可以提供更多的电子参与到污泥厌氧发酵反应中，能有效促进污泥厌氧发酵反应，提高污泥厌氧发酵产SCFAs量。但现实操作过程中，当零价铁粒径太小时，颗粒间容易结块，从而消弱铁屑的活性。

图3 零价铁粒径对污泥发酵产酸的影响

2.3 纳米零价铁投加量对污泥发酵产SCFAs的影响

由图4可以看出，在任意发酵时间，污泥厌氧发酵产SCFAs量与纳米级零价铁投加量和厌氧发酵时间均成正比例关系，在第四天污泥厌氧发酵产SCFAs量达到最大值。

图4 纳米零价铁投加量对污泥发酵产酸的影响

在投加量在0.5～5.0 g/L之间，污泥厌氧发酵产SCFAs量显著增加。纳米级零价铁的投加，使系统中出现了大量的微电解池，加快污泥中有机物向有机酸的转化速率，同时适量的铁离子溶出也使系统中微生物酶的活性及种群结构得到明显改善[6]。在投加10.0 g/L的纳米零价铁时，污泥发酵系统中产SCFAs量的增速明显放缓，因此确定纳米零价铁的最佳投加量为5.0 g/L。

2.4 pH对零价铁促进污泥发酵产SCFAs的影响

图5 pH和发酵时间对总SCFAs产量的影响

由图5可以看出，在任意发酵时间，在pH为7时，污泥厌氧发酵产SCFAs量最大。污泥的厌氧发酵产SCFAs反应其本质是产酸菌生长代谢过程，pH过高或过低会影响厌氧微生物酶的活性，导致微生物代谢生长繁殖速率和代谢途径发生变化[7]。在污泥厌氧发酵环境pH为7.0时，催化剂铁元素以Fe2+的形式存在，有利于提高厌氧微生物酶活性。同时系统中的OH-能与偏碱性条件下生成H+迅速反应，从而增加有机物的溶出并阻断产甲烷途径[2,8]，促进厌氧发酵产SCFAs的生成和积累。

在任意pH条件下，污泥厌氧发酵第4天产SCFAs量达到峰值。随着发酵时间的延长，污泥厌氧发酵系统中形成有利于产甲烷的环境，产甲烷菌利用SCFAs为原料生长繁殖，释放出甲烷，造成SCFAs总量开始下降，因此延长发酵时间不利于SCFAs的积累。在本试验中，通过添加零价铁作催化剂，加快污泥厌氧发酵产SCFAs进程，缩短厌氧发酵时间，减少发酵池的体积，减少占地面积和设备投资成本。因此零价铁促进污泥厌氧发酵产酸的最佳pH与最佳发酵时间分别为pH 7.0与发酵第4天。

2.5 温度对零价铁促进污泥发酵产SCFAs的影响

由图6可以看出，在任意发酵时间，污泥厌氧发酵产SCFAs量随着温度的升高而增大，常温时产SCFAs量最小，高温时最大。但常温和中温相比，产SCFAs量相差不大，但保持高温的反应条件需要耗费更多的能量[9]，因此中温37 ℃为污泥厌氧发酵产酸的最适温度。

图6 pH为7.0时温度对总SCFAs产量的影响

3 结 论

在污泥发酵产酸过程中添加零价铁有效催化促进污泥发酵产酸反应进程，提高SCFAs产量。pH与温度都是影响零价铁促进污泥厌氧发酵产酸的重要因素。在最适纳米零价铁投加量的条件下，零价铁促进污泥厌氧发酵产酸的最适pH与最适温度分别是7.0与37 ℃(中温)，且产酸量在发酵第4天达到最大值。

[1] 杨波,陈奚.剩余污泥的处理与处置技术[J].东华大学学报:自然科学版,2005(02):126-130.

[2] 冯应鸿.零价铁强化剩余污泥厌氧消化的研究[D].大连:大连理工大学,2014.

[3] 林港.零价铁强化厌氧处理难降解废水的实验研究[D].大连:大连理工大学,2012.

[4] 付丰连.零价铁处理污水的最新研究进展[J].工业水处理,2010(06):1-4.

[5] 张杨.零价铁、厌氧及联合处理法降解印染废水影响因素研究和机理分析[D].广州:广州大学,2013.

[6] 寇明旭,刘全阳.金属离子对活性污泥微生物影响研究进展[J].山西建筑,2007(02):176-177.

[7] 陈兴春,郑颖,刘宏波,等.基于pH调控的城市污泥厌氧发酵产酸小试研究[J].环境科学学报,2015,35(4):1067-1073.

[8] 黄天寅,巫华,吴玮,等.pH值对污泥发酵产酸的影响[J].环境工程学报,2013,7(1):329-332.

[9] 蔡伟娜,陆小青.温度对污泥厌氧发酵产酸过程的影响[J].净水技术,2011,30(4):9-12.

Influence of Adding Zero-valent Iron on Short-chain Fatty Acids from Anaerobic Fermentation of Sludge

CAIMei,WUYu

(Jiangsu Wealth Environmental Engineering Co., Ltd., Jiangsu Yancheng 224000, China)

Sewage treatment process of wastewater treatment plant produces large amounts of sludge, solving the environmental problems of excess sludge and realizing the resource utilization of sludge have received much attention. In sludge anaerobic fermentation system, zero-valent iron was added to study the influence of factors such as particle size, dosing quantity, pH and temperature affected the quantity of produce acid. The results showed that zero-value iron can effectively promote the production of short chain fatty acids from anaerobic fermentation of sludge. Maximum of sludge anaerobic fermentation to produce acid peak was reached in the fourth day, under the optimum condition of 5.0 g/L nano-scale zero-valent iron dosing quantity, pH 7.0 and 37 ℃.

zero-value iron; anaerobic fermentation; short-chain fatty acids; pH; temperature

蔡梅(1987-)，女，工程师，主要从事污废水治理和纯水工程设计。

X705

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1001-9677(2016)020-0064-03