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摘要:
“十四五"規(guī)劃在技術(shù)要求中明確提出限制污泥填埋,全面提升環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施水平,城市污泥無害化處置率達(dá)到90%,鼓勵(lì)污泥能量資源回收利用。污泥厭氧消化是對(duì)有機(jī)污泥進(jìn)行穩(wěn)定處理的常用的方法,產(chǎn)生大量的高熱值的沼氣作為能源利用,使污泥無害化、資源化。大量污水廠為保證出水質(zhì)量,向工藝中投加含鋁混凝劑,從而產(chǎn)生了大量難以進(jìn)行厭氧消化的剩余活性污泥和含鋁化學(xué)污泥(Al-WAS)的混合物。針對(duì)這一問題2022年5月23號(hào)南京師范大學(xué)環(huán)境與生態(tài)修復(fù)團(tuán)隊(duì)陳赟博士提出了一種“以廢治廢"的策略,采用投加陳化的鐵混凝污泥強(qiáng)化含鋁剩余活性污泥厭氧消化性能。
中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展增加了污水處理廠(WWTP)的數(shù)量,為達(dá)到國(guó)家城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)中總磷一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)(0.5 mg/L),化學(xué)絮凝劑鋁鹽通常添加到一些污水處理廠的生物單元中,形成Al-WAS。厭氧消化(AD)是處理Al-WAS經(jīng)濟(jì)有效的方法,但由于鋁混凝劑較強(qiáng)的團(tuán)聚性,含鋁污泥結(jié)構(gòu)緊密,界面反應(yīng)的能量壁壘較高,及其生物毒性,這使得含鋁污泥的厭氧消化性能較差。
為了解決上述問題,南京師范大學(xué)環(huán)境與生態(tài)修復(fù)團(tuán)隊(duì)陳赟博士提出將三價(jià)鐵引入含鋁污泥的厭氧消化過程中,這一舉措大幅提高了含鋁剩余污泥厭氧消化的甲烷產(chǎn)量(圖1)。研究分析了厭氧消化過程中含鋁污泥的物理結(jié)構(gòu)、固-液界面能等的變化,確定了三價(jià)鐵在含鋁剩余污泥厭氧消化中的促進(jìn)機(jī)制:一方面,瓦解了含鋁污泥緊密的物理結(jié)構(gòu),提供了更多污泥與微生物的結(jié)合位點(diǎn),從而提高了污泥中蛋白類有機(jī)質(zhì)的水解;另一方面,顯著降低了含鋁污泥表面的能量壁壘,使反應(yīng)的路易斯酸堿吉布斯自由能()由正轉(zhuǎn)負(fù),為污泥表面生化反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行提供能量條件。此外,三價(jià)鐵的介入還使消化污泥由親水轉(zhuǎn)為疏水,極大提高了消化污泥的脫水性能。
圖1:三價(jià)鐵促進(jìn)含鋁剩余污泥厭氧消化機(jī)理
向AD系統(tǒng)中添加適量的鐵可有效降低厭氧微生物與含鋁污泥絮體之間界面的能量屏障,并促進(jìn)其接觸,從而增加甲烷的潛在產(chǎn)量,但成本高昂,需要開發(fā)一種低成本的替代方法。在以上研究基礎(chǔ)上,團(tuán)隊(duì)收集污水廠的鐵混凝化學(xué)初沉污泥,即含鐵化學(xué)強(qiáng)化初沉(Fe-CEPS)污泥作為替代鐵源,以降低工藝成本。研究發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)存放過程中Fe-CEPS污泥會(huì)發(fā)生陳化現(xiàn)象,隨著陳化時(shí)間延長(zhǎng),F(xiàn)e-CEPS污泥中的鐵氧化物的形態(tài)和組成以及污泥的結(jié)構(gòu)均發(fā)生了顯著的變化,如三價(jià)鐵逐步被還原為二價(jià)鐵,鐵氧化物由初期的水鐵礦逐步轉(zhuǎn)化為強(qiáng)晶型的藍(lán)鐵礦;污泥表面官能團(tuán)也隨著陳化時(shí)間的延長(zhǎng)逐步由Fe-O鍵向Fe-P-O鍵轉(zhuǎn)化。
圖2:陳化過程影響含鐵化學(xué)初沉污泥的結(jié)構(gòu)和成分
研究表明,將不同陳化時(shí)間下的Fe-CEPS污泥投加到含鋁剩余污泥中進(jìn)行厭氧消化,呈現(xiàn)出不同的分散特性。陳化時(shí)間越長(zhǎng)的Fe-CEPS污泥導(dǎo)致的消化污泥團(tuán)聚現(xiàn)象越明顯,不利于與微生物接觸。而投加了陳化3天時(shí)間的Fe-CEPS污泥顯著降低了消化污泥的分形維數(shù),表明消化污泥松散的物理結(jié)構(gòu)的形成。
圖3:不同陳化時(shí)間處理Fe-CEPS污泥強(qiáng)化Al-WAS產(chǎn)甲烷及VFAs變化。
添加不同老化時(shí)間的Fe-CEPS污泥對(duì)甲烷和VFAs生成有顯著影響。鐵添加組的甲烷生成速率略高于對(duì)照組。三個(gè)短期老化組(C1、C3和C5)的累積甲烷產(chǎn)量分別比對(duì)照組高20.3、28.6和20.7%,三個(gè)組的最大甲烷產(chǎn)量分別為134.1、143.3和134.5 mL/g VS。同時(shí)在對(duì)照組中檢測(cè)到更多累積的VFAs,表明添加Fe-CEPS污泥可以緩解VFAs的累積。
研究結(jié)果表明,含有多種形式鐵的Fe-CEPS污泥是提高鋁甲烷產(chǎn)量的有效替代鐵源。污泥的老化時(shí)間對(duì)鋁的甲烷潛在產(chǎn)量有顯著影響。在較短的老化時(shí)間內(nèi),F(xiàn)e-CEPS污泥含有無定形鐵氧化物,具有較大的表面積和豐富的反應(yīng)位點(diǎn)。因此,F(xiàn)e-CEPS污泥可以作為厭氧微生物和污泥絮體之間的橋梁,以克服能量障礙,最終提高了Al-WAS產(chǎn)甲烷的能力。這證明Fe-CEPS污泥作為替代鐵源能有效提高Al-WAS產(chǎn)甲烷產(chǎn)量,最終實(shí)現(xiàn)“以廢治廢"的目的。
厭氧消化工藝作為一種重要的污水污泥處理技術(shù),其研究和應(yīng)用已經(jīng)受到了科研和工業(yè)圈的廣泛關(guān)注。國(guó)內(nèi)北京排水集團(tuán)、蘇伊士水務(wù)、天津創(chuàng)業(yè)環(huán)保、重慶中法水務(wù)、中信環(huán)境等環(huán)保企業(yè),應(yīng)用MultiTalent 203甲烷潛力測(cè)試系統(tǒng)用于評(píng)價(jià)污水處理廠污泥厭氧消化的產(chǎn)氣性能及不同預(yù)處理、共消化等對(duì)產(chǎn)氣潛力的影響,為優(yōu)化工藝運(yùn)行和提升運(yùn)行管理水平做指導(dǎo)。
隨著“十四五"規(guī)劃和30·60雙碳目標(biāo)的提出,污泥處理的技術(shù)路線正逐步清晰化:“十四五"規(guī)劃在技術(shù)要求中明確提出限制污泥填埋,穩(wěn)步推進(jìn)資源化,鼓勵(lì)污泥能量資源回收利用。30·60雙碳目標(biāo)提出后,未來污泥處理處置將以節(jié)能降耗及能源資源回收為目標(biāo),這對(duì)污泥處理提出了更為清晰的技術(shù)路徑方向,厭氧消化是優(yōu)選途徑。
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