K2FeO4-FeCl3聯合強化剩余污泥厭氧消化產酸

田夢佳,劉 鋒,2,李 祥,2,*,馬 軍,王加恩,趙魏東

K2FeO4-FeCl3聯合強化剩余污泥厭氧消化產酸

田夢佳1,劉 鋒1,2,李 祥1,2,3*,馬 軍3,王加恩1,趙魏東1

(1.蘇州科技大學環境科學與工程學院,江蘇 蘇州 215000；2.蘇州科技大學江蘇水處理技術與材料協同創新中心,江蘇 蘇州 215000；3.哈爾濱工業大學城市水資源與環境國家重點實驗室,黑龍江 哈爾濱 150090)

通過堿性高鐵酸鉀(K2FeO4)-FeCl3預處理聯合厭氧消化對剩余污泥進行減量化處理,探討不同形態的鐵源及不同鐵濃度對以有機酸回收為目標的污泥減量化過程的影響,并尋找最適鐵投加量.結果表明在預處理過程中堿性K2FeO4對污泥聚集體結構破壞起著重要作用.與空白相比,揮發性懸浮物固體(VSS)下降了26.79%, 中值粒徑(Dx(50))下降了90%,污泥沉降比(SV30)下降了33%,污泥沉降性能變好,減量效果明顯. FeCl3在預處理過程僅具有絮凝作用.在厭氧消化過程,經堿K2FeO4預處理后的污泥產酸量高于空白組.適量鐵離子的增加可加速有機酸的產生速率.最適鐵投加量20mg Fe/g VSS的K2FeO4及21mg Fe/g VSS的FeCl3(即TFe投加量為41mg Fe/g VSS)的產酸效果最好, 在消化第3d揮發性有機酸達到峰值(436.1mg COD/g VSS),是空白組峰值的4.45倍.當經過15d消化后,PO43--P去除率達69.8%,是僅投加K2FeO4預處理的2.03倍.此外,適量鐵的投加還有利于產酸菌(Actinobacteria門和Chloroflexi門)富集,促進了厭氧消化產酸速率提升,而鐵投加量高于48mg Fe/g VSS反而會抑制厭氧環境中產酸菌的活性.

K2FeO4；FeCl3；剩余污泥；厭氧消化；揮發性脂肪酸

據統計,截至2020年,我國剩余污泥總產量增至6000萬t,處理成本占總運營成本的20%～50%[1].剩余污泥中含有大量重金屬、寄生蟲及病原體等有毒有害物質,直接排放會危害環境[2].然而剩余污泥含有豐富的蛋白質、多糖,其含量占固體總量的40%～ 60%,可作為具有經濟價值的資源進行回收[3].尤其是厭氧消化階段產生的揮發性脂肪酸(VFAs),不僅能作為生產聚羥基脂肪酸(PHAs)的工業原料[4],還能作為污水脫氮除磷的優質碳源[5],具有較高的經濟價值.因此,剩余污泥資源回收已成為環保界的熱點問題.

厭氧消化是目前最常使用,效果最穩定的污泥處置方式之一[6].它由水解、酸化、甲烷化3個階段組成,其中水解階段是污泥消化的限制性步驟[7].因此,學者利用不同方式將污泥進行預處理,破壞污泥聚集體結構,促使大分子難降解物質快速破解為易于利用的小分子物質,提高水解階段的速率,從而提高后續消化速率[8].堿性高鐵酸鉀(K2FeO4)作為綠色強氧化劑具有殺菌絮凝等效果,不僅能氧化污泥中大分子有機物,加速其水解、促進厭氧微生物生長代謝[9],而且其氧化后的堿性環境對產酸菌具有促進作用,有利于VFAs的回收[10].李林等[11]研究發現,當K2FeO4投加量為500mg Fe/g VSS時,發酵第5d,VFAs達到峰值322.6mg COD/g VSS,是空白的2.39倍.在李林等[11]的基礎上,何張煒等[8]提出用56mg Fe/g TSS的K2FeO4進行預處理,然后接種新鮮污泥進行消化, 5d內VFAs最大產量達到343mg COD/g VSS,是空白的6.72倍. K2FeO4價格昂貴,為降低其用量,李祥[12]采用堿性K2FeO4預處理污泥,發現在K2FeO4投加量為20mg Fe/g SS時,可達到破壞污泥聚集體而不破壞微生物細胞的氧化極限,此時消化第3dVFAs積累量達到408.21mg COD/g VSS,是堿空白的3.08倍.可見,K2FeO4預處理對污泥消化具有顯著的促進作用.

在厭氧消化過程中, 鐵是微生物代謝酶的重要組成部分,不僅能促進微生物種間電子直接傳遞[13],還能富集異化鐵還原菌,加速水解階段還原型輔酶Ⅰ(NADH)和H2的消耗,同時高濃度的鐵還能抑制甲烷菌產CH4[14].在K2FeO4氧化后形成的Fe3+也應具有同樣效能.然而為了降低預處理過程成本,在低K2FeO4使用量的情況下,其形成的鐵是否滿足需求,需不需要額外投加鐵加速其消化尚未獲得關注.K2FeO4在氧化過程中產生的Fe3+會在產氫產乙酸過程中被還原為Fe2+,與PO43--P反應生成Fe-P沉淀,以藍鐵礦的形式實現磷回收[15].藍鐵礦是一種非常穩定的鐵磷化合物,不僅能作為磷肥生產原料,還可以作為鋰電池合成原料.因此,額外投加鐵對該過程的作用還需進一步研究.也有研究表明,NH4+-N和Fe3+在厭氧環境下會發生厭氧鐵銨氧化反應,即將NH4+-N轉化為N2或NO3-,達到脫氮效果[16].可見,鐵在厭氧消化過程中具有諸多益處.因此,深入探討堿性K2FeO4預處理污泥后的鐵在厭氧消化階段的作用和影響對利用該技術進行污泥減量和有機物回收具有重要意義.

由于零價鐵難溶解,Fe2+不具有異化鐵還原作用,故選擇三價鐵氧化物作為鐵源.其中FeCl3更易在水中溶解,且價格相對低廉.因此,本實驗以VFAs回收為目標,采用堿性K2FeO4對污泥進行氧化預處理,再額外投加不同濃度梯度的FeCl3,探究不同形態的鐵在預處理過程中作用,及其形成的鐵離子對消化過程中固液相物質變化的影響.同時探討厭氧消化后不同鐵存在的環境下污泥中微生物群落結構的變化.

1 材料與方法

1.1 污泥來源與性質

實驗污泥取自蘇州某污水處理廠A2O工藝沉淀池的剩余污泥,污泥經簡單過篩、洗滌、沉降后置于4℃的冰箱儲存.原污泥中值粒徑(Dx(50))為1749.37μm,其余基本特性見表1.

表1 剩余污泥濃度及其上清液基本理化性質

1.2 實驗方法

1.2.1 預處理過程 各取1L新鮮的污水廠剩余污泥于9個有效容積為1L的燒杯中,分別標記為R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9.其中R1、R2作為對照組,R3～R9作為實驗組.分別配置4mol/L的KOH溶液和12mol/L的HCL溶液控制pH值.20000mg/L的K2FeO4溶液及2000mg/L的FeCl3溶液控制不同鐵投加量.本課題組李祥等[12]從經濟性角度研究發現最佳pH值為11,K2FeO4投加量為20mg Fe/g SS時即可達到破壞污泥聚集體而不破壞微生物細胞的氧化極限,有利于后期厭氧消化.基于此,本實驗設計不同鐵投加量的預處理參數如表2所示.預處理過程中,先調節pH值,再將9個燒杯分別放置在六連攪拌機上以120r/min的速度攪拌.攪拌過程中同時投加對應量的K2FeO4和FeCl3.預處理2h后各組留200mL污泥混合液用作后續樣品分析.

1.2.2 消化過程 預處理后,將9組污泥轉移至9個1L血清瓶中,放于35℃,120r/min的恒溫搖床振蕩,進行中溫厭氧消化實驗.消化后期每天用4mol/L的KOH溶液和12mol/L的HCL溶液將pH值穩定在6[17].此后每隔24h取各組污泥上清液測定液相物質濃度變化,連續測量15d,每組做2個平行實驗.

1.3 分析項目與測定方法

1.3.1 常規指標分析 SS、VSS、SV30、pH值采用國際標準法測定,NH4+-N采用納氏試

表2 各組預處理實驗條件及藥劑投加量

劑分光光度法,總氮(TN)采用過硫酸鉀氧化分光光度法,PO43--P、總磷(TP)采用鉬酸銨分光光度法,化學需氧量(COD)采用重鉻酸鉀分光光度法,總鐵(TFe)、Fe2+、Fe3+采用林菲羅零分光光度法測定[18]; VFAs經預處理后采用氣相色譜測定(GC7890B, Agilent,美國)[19];對胞外聚合物(EPS)分層提取,蛋白(PN)濃度采用Lowry-Folin分光光度法測定,多糖(PS)濃度采用苯酚-硫酸分光光度法測定[20]; Dx(50)采用激光粒度儀測定(MASTERSIZER 3000, Malvern,英國).

1.3.2 X-衍射 (XRD)分析 對消化產生的污泥晶體沉淀采用XRD分析[21].將消化后的污泥放入冷凍干燥機(FreeZone 2.5L, Labconco,美國)干燥24h,研磨后過200目篩子過篩,采用X衍射儀(Ultima IV, Rigaku,日本)檢測.掃描范圍為5～90°,掃描速度為1°/min.測得的數據經Jade軟件分析,Origin作圖,對污泥晶體定性.

1.3.3 微生物分析 微生物采用高通量測序進行分析[22].采用細菌 16S V4-V5 區通用引物,對消化前后的污泥樣品,進行3個重復擴增,同一樣品擴增產物進行混合;前端引物515F(5-GTGCCAGCM- GCCGCGG-3),后端引物907R (5-CCGTCAATTC- MTTTRAG TTT-3);對PCR產物進行回收純化和Qubit定量,采用Illumina公司的Miseq PE300/ NovaSeq PE 250進行測序.

2 結果與討論

2.1 預處理后污泥特性變化

2.1.1 預處理后污泥液相變化 經不同預處理后污泥中NH4+-N、TN、PO43--P、TP、VFAs、COD、TFe的釋放量具有較大差異(圖1).與空白(R1)相比,堿預處理(R2)具有輕微破壞污泥絮體,釋放有機物的作用.加FeCl3后(R3)效果與R2相似,表明單獨Fe3+的投加對污泥預處理沒有影響.堿K2FeO4氧化預處理后(R4～R9),污泥絮體分解,大分子及難降解性有機物快速水解為小分子有機物并釋放到液相,COD加速上升.當再額外投加FeCl3(R5～R9)后, COD上升更加明顯.NH4+-N主要來源于污泥中吸附氨和胞內有機氮氧化后的釋放.堿K2FeO4預處理后,污泥胞內NH4+-N、TN均出現釋放,但是此時液相大部分氮為有機氮.這進一步說明此時污泥僅實現破碎,未出現大量有機物氧化.

與僅投加K2FeO4預處理(R4)相比,額外增加FeCl3的組分(R5～R9)的TN濃度明顯下降.推測是更多的鐵起到了絮凝作用將大分子有機物吸附并轉移到固相[23].與空白相比,堿K2FeO4預處理后,胞內PO43--P、TP大量釋放,同時隨著鐵投加量的增加,PO43--P濃度下降,說明部分鐵起到了絮凝和除磷作用[8].預處理后,污泥有機物仍以大分子存在,胞內VFAs少量釋放.因預處理鐵投加量不同,各組液相TFe濃度隨鐵投加量增加而增加.

圖1 預處理后污泥液相物質變化

圖2 預處理后污泥固相性質

2.1.2 預處理后污泥固相變化 原污泥(R1)和單獨堿預處理后的污泥(R2)的SS分別為9.82和9.24g/L,VSS分別為7.13和6.32g/L,可見堿預處理僅使污泥濃度小幅下降.這主要是OH-會破壞微生物細胞結構,釋放污泥胞內物質[24].堿FeCl3預處理后R3的SS、VSS與R2相比變化不大.而經K2FeO4和不同濃度的FeCl3共同預處理后(R4～R9)污泥濃度SS較空白(R1)均出現約20%的下降,VSS較空白(R1)均出現約25%的下降.這說明K2FeO4對污泥聚集體發生了氧化作用,額外投加的FeCl3對其影響不大.SV30代表著污泥沉降性能.隨著預處理后污泥濃度的下降,SV30也呈下降趨勢.與R2(54%)相比,R3 (43%)明顯更低,表明鐵通過絮凝和混凝作用提高了污泥沉降性能[25].與R4(41%)相比, R3(43%)投加了相同量的鐵,但SV30更高,主要是缺少了K2FeO4對污泥的氧化效果.與R1相比,隨著鐵投加量的增多, R4～R9沉降性能逐步加強,推測是K2FeO4氧化效果和鐵絮凝效果共同作用[15].與R1相比,R2的Dx(50)減小了23%,R3的Dx(50)減小了45%,在相同的堿預處理的前提下R3的鐵離子作為橋聯電子,促進污泥顆粒化[26].K2FeO4氧化預處理后的污泥Dx(50)顯著下降,且污泥粒徑隨鐵的增加略微增大.

2.2 消化過程中污泥特性變化

2.2.1 消化過程中污泥液相變化 不同預處理后污泥在消化過程中的COD、NH4+-N、TN、PO43--P、TP釋放量具有較大差異(圖3).

COD反映了液相有機物濃度,厭氧環境下污泥水解,消化15d內各組COD均先增大后減小.與堿空白(R2)相比,堿FeCl3(R3)在消化過程中的COD濃度略有上升,約是R2的1.5倍.這說明鐵在厭氧消化體系里促進微生物對EPS的分泌,對消化過程COD釋放起到了一定的促進作用[27].而堿K2FeO4預處理后的COD均是R2的7倍以上,說明堿性K2FeO4破壞污泥聚集體后,對COD釋放起到了加速作用.隨著FeCl3投加量由7mg Fe/gVSS增加至21mg Fe/g VSS,R7在消化第4d,COD峰值達到各組最大為8990mg/L.而隨著FeCl3的投加量由21mg Fe/g VSS增加至35mg Fe/g VSS, COD峰值開始下降.這說明厭氧消化系統最適總鐵含量為41mg Fe/g VSS,過量的鐵抑制了微生物活性[28]或與有機物如腐殖酸等的絡合作用[29].

消化15d內,隨著有機物水解,NH4+-N濃度不斷上升.各組釋放速率均快于R1,其中R7的釋放速率最快,是R1的2.48倍.與R2相比, R3僅額外投加一定濃度的FeCl3后NH4+-N濃度略微增加.而K2FeO4預處理(R4)明顯加速了NH4+-N釋放.魯丁南等[30]發現NH4+-N能抑制甲烷菌產甲烷,降低VFAs的消耗,有利于后期產酸.同時,與R4相比, R5、R6、R7的NH4+-N釋放速率更快,R7、R8變慢.這表明適量的鐵能加快有機物消化,而高濃度的鐵抑制消化過程.TN與NH4+-N變化相同,均隨時間增加而增大,且主要是無機氮.這表明大量有機氮被快速水解為無機氮[23].

消化15d內,因剩余污泥在厭氧條件下積累了大量還原性物質,K2FeO4及FeCl3產生的Fe3+通過鐵還原菌作用被迅速還原為Fe2+,Fe3+最終下降到0mg/L.消化反應初期, Fe2+含量較低,此時僅少量 PO43--P被固定.隨著Fe3+轉化為Fe2+,各組Fe2+開始增加.隨著厭氧反應的進行,液相中的Fe2+不斷和剛釋放的PO43--P結合,生成Fe-P沉淀,導致鐵濃度和磷濃度同步降低.污泥厭氧消化15d后,R3～R6的Fe2+基本消耗完,因R7～R9的初始鐵濃度較高,消化15d后還存在一些Fe2+.

圖3 不同預處理樣品消化過程中液相污染物隨時間變化情況

消化初期, R1、R2的PO43--P濃度迅速升高并保持不變,這是因為厭氧環境下聚磷菌(PAO)持續釋磷直到釋盡[31],且堿預處理加速污泥里無極磷的釋放[32].與R1、R2不同,R3～R9的PO43--P先上升后下降,消化前期PAO釋磷與液相鐵磷反應同時進行,且釋磷速度更快導致PO43--P濃度積累.K2FeO4和鐵預處理加速污泥PO43--P釋放,后期PO43--P釋放完畢后和液相中的鐵反應生成Fe-P沉淀,將液相中的磷元素轉移至固相.隨著鐵濃度增加PO43--P峰值出現更早且濃度更低.消化15d后,僅R9的PO43--P濃度不斷降到0mg/L,R3～R6在反應后期保持穩定后不再下降,表明液相中的Fe2+濃度過低不足以消耗PO43--P.而R7,R8分別還存在一定濃度的PO43--P和Fe2+,推測后續PO43--P繼續和Fe2+生成Fe-P沉淀.TP的變化與PO43--P相似,PAO厭氧釋磷,空白組R1,R2的TP不斷上升,R4～R9因投加鐵均先增加后減少,而R3投加FeCl3后TP并未下降.說明R3釋磷速度始終快于Fe-P沉淀的形成.

VFAs是由產酸菌利用污泥中的蛋白質、多糖等有機物水解酸化而來,經不同預處理后污泥在消化過程中液相VFAs變化及6種酸占比不同(圖4).VFAs均呈先上升后下降趨勢,隨著預處理不同VFAs峰值濃度及出現時間不同.與R1(98.7mg COD/g VSS)相比,堿預處理(R2)提高了VFAs的峰值,有利于VFAs的釋放.堿FeCl3(R3)預處理提高峰值的同時加快了產酸速率.推測異化鐵還原過程優于產甲烷過程,有利于產酸[33].經K2FeO4和FeCl3預處理后的污泥(R4～R9)產酸效果更優.其中R7最先在第3d達到最高峰值436.1mg COD/g VSS,前3dVFAs釋放速率是R1的18.76倍.說明堿性K2FeO4強氧化提升了有機酸的產生量,而鐵離子的作用加速了有機酸的產生速率,使其濃度快速達到峰值.R4～R7隨著額外投加FeCl3濃度的增加,VFAs峰值增加,而R7～R9隨著FeCl3濃度的增加,VFAs峰值出現下降.說明過高的鐵濃度抑制了產酸菌活性[28].

圖4 消化過程中VFAs變化及消化峰值VFAs 6種酸占比情況

在污泥厭氧發酵過程中,VFAs主要由乙酸、丙酸、正丁酸、異丁酸、正戊酸和異戊酸6種酸組成[34],其中乙酸是應用最廣泛、經濟價值最高的有機酸[35].VFAs峰值時加鐵組分(R3～R9)乙酸占比均超55%,最高達64.3%(R7).這推測鐵通過降低氧化還原電位(ORP)優化水解產酸的類型,使產物更多的為乙酸[36].

2.2.2 消化過程中污泥固相變化 厭氧消化15d后,各組污泥固相發生了變化(表3).與消化前的R1相比,消化15d后,R1～R9的SS和VSS均出現下降.加FeCl3后(R3)污泥濃度低于R2,且同鐵濃度以K2FeO4形式投加(R4)的污泥濃度低于以FeCl3形式投加(R3).與R4相比,額外投加FeCl3(R5～R9)后,污泥濃度均有所下降,且額外鐵投加量為7mg Fe/g VSS時, SS、VSS下降最多,污泥減量效果最好.隨著鐵投加量繼續增大(R7～R9),污泥減量效果變差,推測過量的鐵抑制了微生物活性,從而影響了污泥中有機物水解進程[37].與R1相比,消化15d后,9組SV30均下降,且預處理組比空白組SV30更低,污泥沉降性能更好.隨著厭氧消化反應的進行,被氧化破壞的污泥顆粒重新聚集,污泥中值粒徑x(50)變化趨于一致.一方面是因為微生物本身具有粘性;另一方面鐵離子具有絮凝性,促進微生物和污泥絮體聚集[38].

表3 消化過程中污泥固相性質

2.3 污泥XRD分析

圖5 消化15d后不同鐵濃度下污泥XRD圖譜

隨著消化反應的進行,剩余污泥水解產酸,環境pH值不斷下降到酸性,更有利于PO43--P釋放[39].研究表明,較高的pH值會由于Fe(OH)2的競爭而抑制藍鐵礦(Fe3(PO4)2·8H2O)的形成,常規污泥厭氧消化回收藍鐵礦的最優pH值在6.0～8.0之間[16].當pH=6.0時,鐵元素主要以固相形式存在,其中有54.7%的沉淀物以藍鐵礦的形式存在[40].此外,當pH<6.5時產甲烷菌活性遭到抑制,更利于有機酸積累[41].故反應后期統一調節環境pH值為6,促進VFAs積累及Fe-P沉淀的生成. 厭氧消化15d后污泥XRD分析,空白組(R1, R2)無明顯峰型,存在的小的雜峰推測為其它雜質物質(圖5).而投加鐵的污泥組分(R3～R9)污泥樣品均在 11.05°、13.05°、18.05°、21.75°、27.86°及29.91°等角度出現衍射峰,證實污泥中出現的Fe-P沉淀與藍鐵礦標準圖譜(PDF#83-2453)一致,為藍鐵礦晶體.但由于鐵投加量不同,圖譜的峰型有差異,與R3僅投加FeCl3及R4僅投加K2FeO4相比, R5～R9的XRD圖相對雜峰更少.這說明TFe投加量在27～55mg Fe/g VSS時生成的藍鐵礦更穩定.

2.4 污泥微生物群落分析

2.4.1 門水平微生物分析 消化3d后,不同組門水平上微生物豐度不同(圖6(a)).變形菌門(Proteobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、綠彎菌門(Chloroflexi)、放線菌門(Actinobacteria)和厚壁菌門(Firmicutes)5種門是傳統厭氧消化主要微生物[42].與R1相比,消化3d后R2～R9的5種微生物總占比分別提高了8%, 14%, 16%, 18%, 19%, 21%, 18%和7%.這說明預處理提高了污泥消化能力.而隨著鐵投加量的增加,R9的消化微生物占比(81.8%)比堿空白(82.3%)更低,這進一步預示著過高的鐵濃度反而抑制了消化反應.其中, Actinobacteria、Firmicutes、Bacteroidetes和Chloroflexi這4種門在水解酸化階段起重要作用,與VFAs的生成息息相關[43]. Actinobacteria為難降解有機物的主要分解者[44], Firmicutes和Bacteroidetes都具有水解纖維素和蛋白質的功能,使污泥中的有機物初步分解成為可溶性物質[45],而Chloroflexi則能為微生物聚體提供三維骨架,直接水解簡單有機物產生VFAs[46].消化3d后,R2～R9的4種微生物總占比分別由R1的41%提高到了51%,65%,66%,72%,78%,77%,69%,65%.適量的鐵增加了水解酸化菌占比,而過高濃度的鐵(如R9,65%),其水解酸化菌占比與R3(65%)、R4(66%)相似,并沒有增加相應微生物占比,因此沒有必要投加過量的鐵.此外,Firmicutes還是常見的鐵還原優勢菌門[47],部分菌群可在厭氧過程中利用有機物作為電子供體進行Fe3+的還原[48],加鐵后R3～R9的Firmicutes門占比均有提高.這說明鐵預處理能富集鐵還原菌促進鐵的還原及Fe-P沉淀的生成,且隨鐵投加量增加鐵還原菌占比增加.

圖6 厭氧消化3d后微生物在門和屬水平群落豐度結構

2.4.2 屬水平微生物分析 不同預處理組分消化3d后屬水平上微生物變化不同(圖6(b)).蛋白質菌屬(沉降桿菌屬)屠場桿菌屬()和理研菌屬()是屬水平上主要的水解酸化功能菌.以蛋白質作為底物,產生乙酸、丙酸等揮發性脂肪酸[49].是厭氧消化系統中具有協同代謝能力的主要細菌之一,不僅能代謝有機底物產乙酸,還具有直接電子傳遞的作用[50].隨著預處理鐵濃度增加,R3～R9的4種酸總占比變化與門水平水解酸化菌相似(10%,16%,21%,26%, 27%,34%,34%,26%,22%),先增大后減小.這進一步表明適量的鐵能富集產酸菌,但過量的鐵會減少產酸菌.氫孢菌屬()為產氫菌,能夠利用多種糖類產H2[51].加鐵后微生物占比下降,會導致反應過程中H2產量的減少.不動桿菌屬()在自然環境中廣泛存在,能夠實現對Fe3+等氧化態金屬元素的還原[52].與類似,地桿菌屬()是自然環境中廣泛存在的一種異化鐵還原菌,在分解有機物的同時,可以將其產生的電子傳遞給胞外不溶性三價鐵氧化物[53].梭菌屬()屬于Firmicutes門,作為Fe3+還原類菌,在有機物降解中同樣發揮著重要作用,能產生乙酸、丁酸等產物[48].鐵預處理后(R3～R9)3種屬分別從空白的0%不斷提高到10%,鐵還原菌占比提高,有利于還原Fe3+及生成Fe-P沉淀.

投加適量濃度的鐵不僅能提高相關水解酸化菌占比,促進VFAs生成速率,還能富集大量鐵還原菌,促進鐵還原與Fe-P沉淀的生成,但鐵濃度過高反而會抑制消化過程中相關微生物的活性.因此,在利用堿K2FeO4預處理后適量補充廉價的鐵對強化消化過程產酸具有重要意義.

3 結論

3.1 堿K2FeO4預處理后污泥VSS下降了26.79%, Dx(50)下降了90%.預處理過程中K2FeO4對污泥聚集體具有很好地氧化破碎作用.而經堿性FeCl3預處理后的污泥液相有機物釋放與堿空白相似,FeCl3在預處理過程中未起到氧化作用;FeCl3在預處理過程僅具有絮凝作用.

3.2 堿性K2FeO4預處理增加了厭氧消化過程VFAs的產量,而鐵離子促進VFAs的產生速率提升.預處理最適鐵投加量為20mg Fe/gVSS的K2FeO4及21mg Fe/gVSS的FeCl3(即TFe投加量為41mg Fe/gVSS).此時VFAs峰值第3就出現,且濃度最高(436.1mg COD/g VSS),此時鐵離子對K2FeO4促進厭氧產酸起協同作用.但過量的鐵會降低VFAs峰值濃度,減慢VFAs生成速率.

3.3 堿性K2FeO4預處理后的鐵和FeCl3在厭氧環境下轉化為Fe2+,并與PO43--P以藍鐵礦結晶體形式沉淀.在最適鐵投加量下,15d內PO43--P去除率達69.8%.

3.4 投加適量的鐵不僅能提高相關水解酸化菌豐度,促進VFAs生成,還能富集大量鐵還原菌促進鐵還原與Fe-P沉淀的生成.TFe投加量為41mg Fe/gVSS時,消化3d后,4種主要的產酸菌門(Actinobacteria、Firmicutes、Bacteroidetes和 Chloroflexi)占比由41%提高到77%;3種主要的鐵還原菌()占比由0%提高到10%.但過量的鐵不僅會浪費資源,還會降低主要產酸菌門豐度(69%),抑制消化過程產酸.

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Study on enhanced anaerobic digestion of excess sludge with K2FeO4and FeCl3for organic acid production.

TIANMeng-jia1, LIU Feng1,2, LI Xiang1,2,3*, MA Jun3, WANG Jia-en1, ZHAO Wei-dong1

(1.School of Environmental Science and Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009, China；2.Jiangsu Collaborative Innovation Center of Technology and Material of Water Treatment, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009, China；3.State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)., 2023,43(8)：4089～4098

The excess sludge was reduced by alkaline potassium ferrate (K2FeO4)-FeCl3pretreatment combined with anaerobic digestion. Under the goal of efficient recovery of organic acid, the effects of different forms of iron sources and iron concentrations on sludge reduction were discussed, and the optimal iron concentration was found. The results showed that alkaline K2FeO4played an important role in the destruction of sludge aggregates during pretreatment. Compared with the blank group, Volatile Suspended Solids (VSS) decreased by 26.79%, median diameter (Dx(50)) decreased by 90%, and sludge settling velocity of 30minutes (SV30) decreased by 33%. The sludge settling performance became better and the sludge reduction effect was obvious. FeCl3only had flocculation during pretreatment process. During anaerobic digestion, the acid production of sludge pretreated with alkaline K2FeO4was higher than that of blank group, and the increase of iron ions promoted the rapid production of organic acids. When the dosage of K2FeO4was 20mg Fe/g VSS and FeCl3was 21mg Fe/g VSS (that is, TFE dosage of 41mg Fe/g VSS), the sludge showed the maximum volatile organic acids (VFAs) accumulation. On the 3thof digestion, the VFAs reached 436.1mg COD/g VSS, which was 4.45times that of the blank group. Under this iron concentration, after 15days of digestion, the removal rate of PO43--P reached 69.8%, which was 2.03 times that of only K2FeO4pretreatment. In addition, adding appropriate iron could increase acid-producing bacteria (Actinobacteria phylum and Chloroflexi phylum), which will promote acid production, while the iron dosage was higher than 48mg Fe/g VSS, the activity of main acid-producing bacteria in anaerobic environment would be inhibited.

K2FeO4；FeCl3；excess sludge；anaerobic digestion；volatile fatty acids (VFAs)

X705

A

1000-6923(2023)08-4089-10

田夢佳(1996-),女,河南駐馬店人,碩士研究生,主要從事污泥減量及污泥資源化利用.發表論文1篇.1050094028@qq.com.

田夢佳,劉 鋒,李 祥,等.K2FeO4-FeCl3聯合強化剩余污泥厭氧消化產酸 [J]. 中國環境科學, 2023,43(8):4089-4098.

TianM J, Liu F, Li X, et al. Study on enhanced anaerobic digestion of excess sludge with K2FeO4and FeCl3for organic acid production [J]. China Environmental Science, 2023,43(8):4089-4098.

2023-01-18

國家自然科學基金資助項目(51938010);江蘇省實踐創新計劃項目(SJCX21-1406)

* 責任作者, 副教授, anammox@126.com