克選

(甘肅省張掖市環(huán)境監(jiān)測站　甘肅張掖 734000)

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納米Fe強化污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷的研究

克選

(甘肅省張掖市環(huán)境監(jiān)測站甘肅張掖 734000)

介紹了利用納米Fe強化污泥高效產(chǎn)甲烷的方法。實驗結(jié)果表明，納米Fe最佳投放量為6 g/L，相應(yīng)的甲烷產(chǎn)量(以VSS計)為198 mL/g。機理研究表明，納米Fe能夠促進污泥水解、酸化，進而促進甲烷的積累。

納米Fe污泥厭氧消耗甲烷

0　引言

厭氧消化是一種有效處置污泥的方法，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)污泥的減量化，同時還能回收能源物質(zhì)甲烷。 厭氧過程包括水解、酸化及產(chǎn)甲烷3個過程[1]。厭氧消化反應(yīng)過程由于水解速率緩慢導(dǎo)致產(chǎn)生的甲烷量較少。為了提高厭氧消化反應(yīng)的水解速率，化學(xué)法、物理法、生物酶法等被廣泛應(yīng)用[2-3]。這些方法雖然能夠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學(xué)藥劑，在實際應(yīng)用中常常受到限制。因此，需要一種經(jīng)濟實惠、能夠最大程度提高污泥厭氧水解速率的方法。

納米Fe是一種廉價、環(huán)境友好的還原性材料，近年來被廣泛應(yīng)用到污水處理、地下水修復(fù)以及土壤治理[4]。Chen等[5]報道納米Fe能夠降低系統(tǒng)中的氧化還原電勢，為污泥的消化提供一個更加適合的環(huán)境。如果納米Fe能夠強化污泥的水解過程，那么污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷的量就會隨之增加，然而關(guān)于納米Fe強化污泥厭氧產(chǎn)甲烷的報道并不多見。

本文介紹一種利用納米Fe強化污泥厭氧產(chǎn)甲烷的方法。將不同含量的納米Fe投加至污泥厭氧反應(yīng)過程，確定強化污泥厭氧產(chǎn)甲烷的最佳納米Fe投加量。通過分析納米Fe對污泥厭氧消化過程水解、酸化產(chǎn)甲烷的影響探究其強化產(chǎn)甲烷的機理。

1　材料與方法

1.1污泥及納米Fe

實驗所用污泥取自某地污水處理廠，取回的污泥放置在4 ℃的冰箱內(nèi)沉淀24 h，沉淀后污泥的性質(zhì)見表1。由表1知，污泥中的主要成分為蛋白質(zhì)及多糖。

納米Fe購自上海某藥劑公司，納米Fe粒徑大約在80～120 nm之間，平均粒徑100 nm。

表1　原污泥的性質(zhì)　mg/L

注：±表示3次測試的平均值。

1.2納米Fe含量對污泥厭氧產(chǎn)甲烷的影響

納米Fe的質(zhì)量濃度選為0, 1, 3 ,6 g/L和9 g/L。實驗在有效容積為2 L的厭氧反應(yīng)器中進行，整個反應(yīng)過程持續(xù)20 d，反應(yīng)溫度維持在20 ℃。反應(yīng)器內(nèi)置混合攪拌器，實現(xiàn)污泥與納米Fe的充分混合；反應(yīng)器的上方設(shè)置集氣袋收集反應(yīng)過程積累的氣體。通過反應(yīng)過程中氣體的積累量就能確定納米Fe的最佳投放量。

1.3檢測方法

2　結(jié)果與討論

2.1納米Fe投加量對污泥厭氧產(chǎn)甲烷的影響

圖1顯示了整個反應(yīng)過程中甲烷的積累情況。由圖1可知，各反應(yīng)器中甲烷積累量隨著反應(yīng)時間的延長不斷增加，在空白組中甲烷最大積累量(以VSS計)為106 mL/g。當納米Fe投加到污泥發(fā)酵體系時，系統(tǒng)的甲烷積累量明顯提高，當納米Fe的投加量分別為1，3，6和9 g/L時，系統(tǒng)甲烷最大積累量(以VSS計)分別為142，178，198和200 mL/g 。表明納米Fe能夠明顯提高污泥厭氧反應(yīng)系統(tǒng)甲烷的積累量。當納米Fe的投加量超過6 g/L時，甲烷的積累量增長不明顯。所以，納米Fe的最佳投加量為6 g/L，與之相對應(yīng)的最大甲烷積累量(以VSS計)為198 mL/g。

圖1納米Fe對污泥厭氧產(chǎn)甲烷的影響

2.2納米Fe對污泥水解的影響

溶解性COD(SCOD)隨時間的變化見圖2。在前4天時間內(nèi)，SCOD的量隨反應(yīng)時間不斷增加，含納米Fe的系統(tǒng)中SCOD的量明顯高于空白組。SCOD的量能夠反映污泥的破胞情況，SCOD量越大，表明污泥的破胞程度越高。當納米Fe投加量為6 g/L時，在第3天SCOD為1 694 mg/L，而空白組SCOD為724 mg/L，實驗組SCOD約為空白組的2.3倍，且在前4天水解期，投加納米Fe的實驗組SCOD的量均高于空白組。

VSS的減量也能很好地反映污泥的水解情況，第4天各反應(yīng)器中污泥VSS減量情況見圖3。第4天時，6 g/L納米Fe實驗組VSS減量29.6%，而空白組的VSS減量12.3%。可見，納米Fe對污泥水解過程有促進作用。

圖2各反應(yīng)器中SCOD隨時間的變化

圖3各反應(yīng)器中VSS的減量(第4天)

表2顯示的是前4天溶解性蛋白質(zhì)及溶解性多糖的變化。由表2可知，添加納米Fe的實驗組中溶解性蛋白質(zhì)及多糖均高于空白組，反映納米Fe能夠強化污泥的水解過程。當納米Fe的投加量在1～6 g/L范圍內(nèi)增加時，溶解性蛋白質(zhì)及多糖的增加量較大，而納米Fe的投加量超過6 g/L時，溶解性蛋白質(zhì)及多糖增加不明顯。這也間接證明了納米Fe的最佳投放量為6 g/L。

表2　溶解性蛋白質(zhì)和溶解性多糖隨時間的變化　mg/L

2.3納米Fe對污泥厭氧產(chǎn)酸的影響

納米Fe投加量對SCFA(短鏈脂肪酸)濃度的影響見圖4。由圖4可知，實驗組中SCFA的質(zhì)量濃度要高于空白組，較高濃度的SCFA作為基質(zhì)被隨后的產(chǎn)甲烷過程所利用，這也是納米Fe能夠促進污泥厭氧產(chǎn)甲烷的一個原因。實驗組的最大產(chǎn)酸積累量在第5天，而空白試驗組最大產(chǎn)酸量在第15天?？梢?，納米Fe同樣能夠促進污泥的厭氧水解過程。

圖4各反應(yīng)器中SCFA隨時間的變化

2.4納米Fe對污泥厭氧消化副產(chǎn)物氮磷的影響

3　結(jié)語

本文研究了納米Fe強化污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷的影響。實驗結(jié)果表明，納米Fe的最佳投放量為6 g/L，甲烷的產(chǎn)量(以VSS計)為198 mL/g；納米Fe能夠促進污泥的水解、酸化進而強化了污泥的甲烷產(chǎn)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.

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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

克選，1983年生，甘肅省張掖市環(huán)境監(jiān)測站工程師，從事環(huán)境監(jiān)測工作。

2015-08-20)