廢鐵屑強化剩余污泥厭氧消化產甲烷機理研究
文章亮點：
▼向剩余污泥厭氧消化系統中投加廢鐵屑可以促進甲烷增產，根據投加階段的不同，甲烷增產量可達21.4%
▼廢鐵屑難以通過降低系統氧化還原電位（ORP）進而改變酸化類型的途徑實現甲烷增產
▼因鐵析氫腐蝕產生H2的速率極為緩慢，廢鐵屑通過鐵腐蝕析氫途徑實現的甲烷增產極其有限，貢獻率僅為3.7%
▼廢鐵屑對微生物的新陳代謝和生長繁殖強化效果明顯，對甲烷增產貢獻高達96.3%，鐵對微生物群落的刺激作用為其對甲烷產量促進的主要原因。
文章簡介
近年來，全球變暖問題凸顯，極端氣候問題威脅著人類的生存安全《巴黎協定》的簽訂，象征著人類生活全面向“碳中和”轉變的開始。污水處理廠作為能量消耗大戶，欲實現“碳中和”運行之道，有效方法之一即是強化剩余污泥的厭氧消化過程，提高從剩余污泥中有機物(COD)向能量(CH4)轉化的效率，從而回收更多的能量，以抵消污水處理中的高額能耗。而已有研究確定，鐵可在厭氧消化的過程中促進甲烷的產生，且已有工程應用案例，但其背后的機理并不明確。
基于此，本團隊設計兩相厭氧消化實驗，建立了產酸階段與產甲烷階段兩個反應器，分別從兩個階段分析廢鐵強化厭氧消化的機制。廢鐵屑作為一種工業廢渣，其無疑是極為適合的實驗材料。通過半連續實驗發現，分別在產酸階段與產甲烷階段加入10g Fe/L的廢鐵屑后，甲烷產量提升了10.1%與21.4%，可揮發性懸浮固體降解效率提高5%和13.2%，確定了廢鐵屑對甲烷產量的促進作用。同時，基本上排除了廢鐵屑通過降低ORP和析氫腐蝕作用促進甲烷產生的可能性：微生物的還原作用優先于鐵腐蝕，因而廢鐵屑并不能顯著降低系統ORP，亦無法改變酸化階段發酵類型；而鐵析氫腐蝕產生H2的速度極為緩慢，對甲烷產量的影響有限，貢獻率僅為3.7%。測定FISH與相關微生物酶活性后發現，廢鐵屑對厭氧菌的分解代謝和合成代謝活動有較強的刺激作用：廢鐵屑可以促進相關厭氧微生物的繁殖，使細菌數量大幅升高；廢鐵屑可促進微生物的新陳代謝作用，使微生物的脫氫酶活性顯著提升；廢鐵屑還可能強化了難降解有機物的分解，增強電子傳遞效率以及零價鐵作為電子供體直接參與了部分反應。綜合來看，廢鐵屑對微生物活動強化的效果，占據其對甲烷促進效果作用貢獻高達96.3%。可見，鐵對微生物群落的刺激作用為其對甲烷產量促進的主要原因。
重要結論
廢鐵屑理論上雖然可以通過降低系統ORP以及鐵腐蝕析氫的途徑促進甲烷增產，但在實際厭氧消化系統中因微生物本身的還原作用優先于鐵腐蝕的化學作用，廢鐵屑因化學原因形成的甲烷增產微乎其微，其對微生物生長繁殖和新陳代謝的有力強化是甲烷增產的主要推動力。
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