鑽石舞台

英文原題：Evaluating the effects of aged Fe-enhanced primary sedimentation sludge on methane production from aluminum-waste activated sludge during anaerobic digestion

通訊作者：陳贇, 南京師範大學

作者：Yi Cheng, Ayaz Thebo, Yun Chen, Nan Shen, Guoxiang Wang, and Xiangchun Xue

中國經濟的快速發展增加了城鎮污水廠的數量，為達到國家城鎮污水處理廠污染物排放標準中總磷一級A標準（0.5 mg/L），大量污水廠向工藝中投加含鋁混凝劑以保證出水質量，從而產生了大量剩餘活性污泥（WAS）和含鋁化學污泥（Al-WAS）的混合物。厭氧消化是一種被廣泛認可的剩餘污泥處理的方法，但由於鋁混凝劑較強的團聚性，含鋁污泥結構緊密，界面反應的能量壁壘較高，這使得含鋁污泥的厭氧消化性能較差。

圖1：三價鐵促進含鋁剩餘污泥厭氧消化機理

在以上研究基礎上，團隊收集污水廠的鐵混凝化學初沉污泥，即含鐵化學強化初沉（Fe-CEPS）污泥作為替代鐵源，以降低工藝成本。研究發現在現場存放過程中Fe-CEPS污泥會發生陳化現象，隨着陳化時間延長，Fe-CEPS污泥中的鐵氧化物的形態和組成以及污泥的結構均發生了顯著的變化，如三價鐵逐步被還原為二價鐵，鐵氧化物由初期的水鐵礦逐步轉化為強晶型的藍鐵礦；污泥表面官能團也隨着陳化時間的延長逐步由Fe-O鍵向Fe-P-O鍵轉化（圖2）。那麼，添加陳化的Fe-CEPS是否還能有效提高含鋁污泥厭氧消化的性能？

圖2：陳化過程影響含鐵化學初沉污泥的結構和成分

研究表明，將不同陳化時間下的Fe-CEPS污泥投加到含鋁剩餘污泥中進行厭氧消化，呈現出不同的分散特性。陳化時間越長的Fe-CEPS污泥導致的消化污泥團聚現象越明顯，不利於與微生物接觸。而投加了陳化3天時間的Fe-CEPS污泥顯著降低了消化污泥的分形維數，表明消化污泥鬆散的物理結構的形成。與此同時，消化污泥的固-液界面自由能也出現顯著降低。這雙重因素為污泥表面生化反應自發進行提供有利條件（圖3）。

圖3：不同陳化時間Fe-CEPS污泥與Al-WAS厭氧消化中分形維數變化及界面自由能變化。

陳化10天以內的Fe-CEPS污泥均能有效促進含鋁污泥厭氧消化產甲烷的性能，其中陳化1-3天時，系統的累計甲烷產量提高尤為顯著，最多達143.3 mL/g VS，相比未添加組提高了28.6%，此外，陳化處理後的Fe-CEPS污泥有效加快了揮發性脂肪酸（VFAs）的轉化，減緩了VFAs的積累，有效提高了產甲烷速率。

圖4：不同陳化時間處理Fe-CEPS污泥強化Al-WAS產甲烷及VFAs變化。

綜上所述，1-3天陳化處理的Fe-CEPS污泥能夠有效破壞含鋁污泥緊密的物理結構，產生更多污泥與微生物的接觸位點；同時能有效降低污泥表面固-液界面自由能，促使生化反應自發進行。陳化處理的Fe-CEPS污泥起到了鉸鏈作用，成為了厭氧微生物和含鋁污泥之間生化反應的「橋樑」，有效的促進了含鋁污泥的厭氧消化性能。

相關論文發表在ACS EST Water和ACS EST Engineering上，南京師範大學碩士研究生程一為文章的第一作者，南京師範大學陳贇博士為通訊作者。

掃描二維碼閱讀英文原文

ACS EST Water 2021, 1, 11, 2370–2376

Publication Date: October 8, 2021

https://doi.org/10.1021/acsestwater.1c00223

ACS EST Engg.2022, ASAP

Publication Date:May 4, 2022

https://doi.org/10.1021/acsestengg.2c00019

Copyright © 2022 American Chemical Society