文章亮點

▼氫氣作為厭氧消化產(chǎn)甲烷過程的底物，為鐵腐蝕析氫促進甲烷增產(chǎn)提供理論基礎

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

▼鐵作為微生物的重要必須元素具備促進產(chǎn)甲烷菌群生長繁殖的能力

▼含鐵酶在產(chǎn)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(xiàn)甲烷增產(chǎn)

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

文章簡介

隨著《巴黎協(xié)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(guī)劃路線正逐步出現(xiàn)。這就要求污水處理廠應最大程度轉(zhuǎn)化污水中有機物或產(chǎn)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(zhuǎn)化率較低一直都是限制厭氧消化技術(shù)廣為應用的瓶頸。在污泥預處理技術(shù)之外，向厭氧消化系統(tǒng)中投加廢鐵屑強化甲烷生產(chǎn)有望成為另一個提高能源轉(zhuǎn)化率的突破口，繼而實現(xiàn)“以廢促能、變廢為寶”的目的。本綜述從鐵腐蝕析氫現(xiàn)象入手，在描述鐵腐蝕析氫原理、析出H₂對產(chǎn)CH₄過程影響的基礎上，對鐵在厭氧系統(tǒng)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(shù)對環(huán)境的影響及經(jīng)濟合理性。

向厭氧消化系統(tǒng)中投加廢鐵屑，其腐蝕析出的氫可持續(xù)為嗜氫產(chǎn)甲烷菌和同型產(chǎn)乙酸菌/嗜乙酸產(chǎn)甲烷菌提供底物，直接（自養(yǎng)）或間接（異養(yǎng)）促進CH4增產(chǎn)。與此同時，鐵作為還原性物質(zhì)在厭氧系統(tǒng)中還可以降低反應系統(tǒng)ORP，引起酸化類型轉(zhuǎn)變、減少丙酸積累，生成更多產(chǎn)甲烷菌能夠直接利用的乙酸，進一步促進CH4增產(chǎn)。著眼于微生物角度，廢鐵屑介入?yún)捬跸到y(tǒng)一方面可以增加構(gòu)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(nèi)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(tǒng)CH₄增產(chǎn)技術(shù)不僅經(jīng)濟上合理，而且因獲得的CH4增量可使外源能源消耗產(chǎn)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(jù)該實驗結(jié)果，向污泥厭氧消化系統(tǒng)中投加33g/L廢鐵屑（8mm×3mm×0.5mm）可獲得25.3%的CH₄增量，據(jù)此可計算舉例污水處理LCA評估參數(shù)。根據(jù)LCA評估結(jié)果，基于廢鐵屑強化污泥厭氧消化技術(shù)，并將產(chǎn)生的生物氣用于熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP），與沒有投加廢鐵屑的厭氧消化技術(shù)相比，每年可節(jié)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(shù)完全可以實現(xiàn)環(huán)境、經(jīng)濟和社會效益三統(tǒng)一，使污水處理走上可持續(xù)發(fā)展之路。

重要結(jié)論

本團隊通過對廢鐵屑加入剩余污泥厭氧消化系統(tǒng)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(chǎn)甲烷的技術(shù)可行性。同時，依據(jù)現(xiàn)有實驗數(shù)據(jù)對污水廠的生命周期評估（LCA）又證實了該技術(shù)的經(jīng)濟可行性。為后續(xù)實驗研究及技術(shù)應用提供了理論支撐并指明了方向。

廢鐵屑強化污泥厭氧消化技術(shù)經(jīng)濟性評估

延伸閱讀：

廢鐵屑強化剩余污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷機理研究

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