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(chǔ)

▼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(yù)示了鐵可以通過促進厭氧消化酶促反應(yīng)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(yīng)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(yīng)用的瓶頸。在污泥預(yù)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(chǔ)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(yīng)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(xué)、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(yīng)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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