1 引言

　　隨著有關(guān)氣候變化的《巴黎協(xié)定》落槌，歐美國(guó)家業(yè)已制定的面向2030年處理實(shí)現(xiàn)“碳中和”運(yùn)行之目標(biāo)及路線圖行將付諸實(shí)施.污水處理實(shí)現(xiàn)“碳中和”運(yùn)行的狹義概念即能源自給自足.對(duì)污水處理廠來(lái)說(shuō)，唾手可得的能源來(lái)源便是剩余污泥.為此，老生常談的污泥厭氧消化技術(shù)再次受到學(xué)界與業(yè)界的追捧，這也使得剩余污泥這一污水處理的大“負(fù)擔(dān)”*;作為一種可再生能源的載體，當(dāng)今學(xué)界普遍希望獲得污泥增量而非減量.只有這樣，方可能逼近污水處理“碳中和”實(shí)現(xiàn)目標(biāo).

　　然而，剩余污泥中穩(wěn)固的細(xì)菌細(xì)胞、難降解的木質(zhì)纖維素類物質(zhì)、以及本身難降解而又可能阻礙其它有機(jī)物降解的腐殖質(zhì)等限制著有機(jī)能源轉(zhuǎn)化率的提高.盡管目前存在多種針對(duì)“細(xì)胞破壁”、“木質(zhì)素/腐殖質(zhì)破穩(wěn)”的預(yù)處理技術(shù)，但這些預(yù)處理技術(shù)操作較為復(fù)雜、且消耗一定的資源與能源，有時(shí)還可能導(dǎo)致能源產(chǎn)量入不敷出.

　　有鑒于此，通過(guò)添加外源廢氫或廢鐵屑于厭氧系統(tǒng)內(nèi)原位產(chǎn)氫(H2)和甲烷(CH4)的生產(chǎn)方式近年來(lái)亦有人嘗試.其中，向厭氧消化系統(tǒng)中投加廢鐵屑原位鐵腐蝕析H2似乎具有“以廢促能”的效果.所以，這種以廢促能的方式值得深入研究.廢鐵屑析H2腐蝕可為產(chǎn)甲烷菌提供更多底物——H2、H2可促進(jìn)有機(jī)物水解、H2可結(jié)合內(nèi)源CO2轉(zhuǎn)化CH4、或鐵可降低系統(tǒng)氧化還原電位(ORP)而改變酸化類型等多種功效.

　　廢鐵屑為工業(yè)廢料，價(jià)格低廉、易于運(yùn)輸，與污泥非直接混合方式投加(如，將廢鐵屑以透水材料包裹后投加)也相對(duì)簡(jiǎn)單.進(jìn)言之，鐵腐蝕后產(chǎn)生的Fe2+/Fe3+亦可通過(guò)鐵接觸除磷技術(shù)(PRICP)去除污泥消化液中形成的高濃度磷酸鹽(PO43-)：①Fe0吸附PO43-;②利用Fe0在水中腐蝕產(chǎn)生的Fe2+/Fe3+沉淀除磷;③Fe(OH)2沉淀吸附溶液中的磷.其中，F(xiàn)e0直接吸附PO43-起主導(dǎo)作用，所以，PO43-主要富集在鐵屑表面;通過(guò)將包裹廢鐵屑的透水網(wǎng)/包取出、清洗除去鐵屑表面PO43-，并進(jìn)一步通過(guò)外加磁場(chǎng)方式誘導(dǎo)Fe(OH)2、Fe3(PO4)2及FePO4沉淀可以實(shí)現(xiàn)磷回收.另一方面，對(duì)鐵鹽的去除/回收還可避免鐵在厭氧消化系統(tǒng)中過(guò)多積累而導(dǎo)致污泥無(wú)機(jī)性增強(qiáng)、VSS下降所引起的系統(tǒng)運(yùn)行惡化情況的發(fā)生.除此之外，鐵與污泥中惡臭有機(jī)硫化物反應(yīng)還可去除污泥中的臭味、亦可降低生物氣中H2S的含量.

　　廢鐵屑強(qiáng)化污泥厭氧消化流程及作用如圖 1所示.本文綜述廢鐵屑在強(qiáng)化厭氧消化產(chǎn)CH4過(guò)程中可能引起的系統(tǒng)理化特性變化、生物群落特征及其經(jīng)濟(jì)性等方面內(nèi)容.

　　圖 1廢鐵屑強(qiáng)化污泥厭氧消化流程及作用

　　2 厭氧鐵腐蝕現(xiàn)象

　　在厭氧環(huán)境下，零價(jià)鐵(Fe0)在水溶液中作為電子供體會(huì)發(fā)生析H2腐蝕現(xiàn)象，如式(1)所示，是一種常見的化學(xué)過(guò)程.然而，這一簡(jiǎn)單的化學(xué)過(guò)程與厭氧消化相結(jié)合可能就會(huì)出現(xiàn)一些如上所述的協(xié)同效應(yīng)，至少緩釋析出的H2可作為嗜氫產(chǎn)甲烷過(guò)程和同型產(chǎn)乙酸過(guò)程的底物，直接促進(jìn)CH4增產(chǎn).況且，零價(jià)鐵給出電子還可能還原污泥中夾雜的一些難降解有機(jī)物.

　　2.1 鐵腐蝕析氫原理

　　有關(guān)鐵腐蝕析氫原理通?？捎霉?1)表示.然而，鐵腐蝕析氫是一個(gè)復(fù)雜的化學(xué)過(guò)程，需要電子和質(zhì)子同時(shí)存在，其中電子由鐵轉(zhuǎn)移至質(zhì)子，生成吸附在鐵表面的氫原子，兩個(gè)氫原子再進(jìn)一步結(jié)合成H2，如式(2)所示;其中，因k2»k1，所以形成吸附在鐵表面的氫原子(k1)是鐵腐蝕析氫的限速步驟.其實(shí)，在厭氧條件下Fe(OH)2并不穩(wěn)定;按Shikorr反應(yīng)，F(xiàn)e(OH)2在溫度超過(guò)80℃時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)化為Fe3O4，如公式(3)所示;但在室溫條件下，該反應(yīng)進(jìn)行緩慢或幾乎不進(jìn)行，但是在鐵存在的條件下，可催化該反應(yīng)進(jìn)行.因此，反應(yīng)(1)和(3)在厭氧條件下鐵腐蝕析氫過(guò)程中通常都是較為明顯的現(xiàn)象.

　　(1)

　　(2)

　　(3)

　　2.2 析氫速率

　　鐵腐蝕析氫的速率直接決定了這一現(xiàn)象用于強(qiáng)化污泥厭氧消化的可行性.若析氫速率低，則CH4增產(chǎn)作用不明顯，投入可能多于產(chǎn)出;若析氫速率大，則鐵的生命周期就會(huì)相應(yīng)縮短，造成系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定.根據(jù)式(1)，每mol的Fe可以生成1 mol的H2.如果式(3)所示的反應(yīng)同時(shí)發(fā)生，則每mol鐵就會(huì)額外生成0.33 mol的H2，但式(3)反應(yīng)進(jìn)行的程度不同，析氫速率也就不盡相同.