碱-高铁酸钾预处理促进污泥-玉米秸秆共发酵产酸

创新点

厌氧发酵是实现剩余污泥资源化利用的主要手段之一，如何提高其厌氧发酵性能一直是人们所关注的热点。本文首次探究了高铁酸钾（PF）作为预处理手段在污泥-玉米秸秆共发酵体系中的作用。充分利用了PF自身的化学性质，实现了污泥增溶与秸秆预处理的同步进行。研究结果表明，PF预处理显著促进了污泥及秸秆中有机物的溶出，仅需投加0.2g/g VSS_WAS的PF，短链脂肪酸（SCFAs）的最大积累量即可达到未添加组的1.92倍。微生物群落分析表明，添加PF后，系统中产酸发酵菌丰度显著增加。此外，PF中的铁离子还有效降低了污泥发酵液中的磷含量，使其更适用于水厂的补充碳源。同时，在发酵后的剩余污泥中检测到了蓝铁矿的生成，为进一步实现磷资源的回收提供了可能性。本研究为污泥和秸秆的资源化利用提供了新的参考依据。

通讯作者简介

曾薇教授

曾薇，北京工业大学教授，博士生导师，城镇污水深度处理与资源化利用技术国家工程实验室副主任。主要研究领域为污水生物脱氮除磷、市政污泥资源化利用和活性污泥微生物生态学。获评教育部新世纪优秀人才、“高创计划”北京市高层次创新创业人才支持计划领军人才、北京市百千万人才、首届北京市高校青年教学名师、北京市教育创新标兵、江苏省“双创人才”。获第十届霍英东基金会高校青年教师奖和第十二届霍英东基金会高校青年教师基金。作为负责人，主持1项国家高技术研究发展计划（863计划）课题、1项国家重点研发计划项目、2项国家重点研发计划课题、6项国家自然科学基金项目、4项北京市自然科学基金等27项国家/省部级项目。以第一/通讯作者发表SCI检索论文100余篇，授权发明专利23项，出版专著1部。科研成果获北京市科学技术奖一等奖2项、江苏省科学技术奖三等奖1项。

碱-高铁酸钾预处理促进污泥-玉米秸秆共发酵产酸

作者

于欣田，曾薇^∗

单位

北京工业大学城镇污水深度处理与资源化利用技术国家工程实验室

基金项目

国家自然科学基金资助项目(52070004)

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摘要

为了探究碱性环境下高铁酸钾（PF）对污泥（WAS）-玉米秸秆（CS）共发酵体系的影响，利用实验室规模的序批式反应器探究了不同投加量(0、0.05、0.20、0.50g/g VSS_WAS)的PF对共发酵体系增溶水解与短链脂肪酸（SCFAs）生成的影响。结果表明，PF预处理对污泥及玉米秸秆中有机物的溶出具有促进作用。预处理24h后，PF投加量为0.50g/g VSS_WAS实验组的溶解性化学需氧量（SCOD）、可溶性多糖及可溶性蛋白含量相较于未投加组分别提高了11.90、9.41和4.75倍。SCFAs产量随PF投加量的增多而增加，不同PF投加量实验组(0.05、0.20、0.50g/g VSS_WAS)的SCFAs最大积累量分别达到未投加组的1.47、1.92和2.21倍，且易于微生物利用的乙酸占比增大。微生物群落分析表明，实验组中Shannon指数下降，Firmicutes与Bacteroidota的丰度增加。Macellibacteroides、Bacteroides、Rikenellaceae和Clostridium等产酸发酵菌是体系内主要的微生物群落。其中Clostridium作为铁还原菌还可被高浓度的Fe（Ⅲ）选择性富集，使丰度进一步提高。添加PF的发酵上清液具有较高的SCFAs含量及较低的磷（P）含量，适宜作为水厂补充碳源使用。此外，在实验组中还观察到了蓝铁矿的生成，可进一步实现磷资源回收。投加0.20g/g VSS_WAS的PF时，SCFAs和P的回收潜力良好，且经济效益最高，为63.96元/m³WAS。因此建议最佳PF投加量为0.20g/g VSS_WAS，为污泥及玉米秸秆的资源化利用提供参考。

研究背景

污水生物处理过程中会产生大量富含有机物的剩余污泥（WAS），对其进行合理的回收利用可达到节能降碳的目的，因此如何对剩余污泥进行资源化利用一直是研究人员关注的问题。厌氧发酵已被证实是实现剩余污泥稳定化与资源化利用的有效手段，可实现短链脂肪酸（SCFAs）、甲烷及其他资源的回收。其中，SCFAs应用前景广泛，不仅可用于生产聚羟基烷酸酯及生物能源等，还可以作为脱氮除磷的补充碳源以降低处理成本。因此，有必要进一步提高SCFAs的产量以更好地实现污泥资源化利用。

污泥中不合理的营养成分比例会影响污泥发酵效果，特别是低碳氮比（C/N），研究表明共发酵可提高C/N比从而促进SCFAs的积累。秸秆作为一种典型的富碳农业废弃物，已被证实在共发酵产酸方面具有良好作用，但其结构致密，常需进行预处理，如ZHOU等在添加碱预处理秸秆后SCFAs产量提高了69%。此外，受污泥自身细胞结构及胞外聚合物（EPS）的影响，水解过程是产酸发酵的限速步骤。该过程常导致有机物利用缓慢，处理效率差等问题，从而影响SCFAs的产量。因此，多采用物理、化学及联合预处理等手段加速污泥增溶和水解，并提高秸秆的生物可利用性，从而强化厌氧发酵性能。

高铁酸钾（PF）作为一种氧化性极强的绿色水处理剂，避免了化学预处理可能造成的环境问题。与常规铁盐相比，PF中的Fe(Ⅵ)具有极强的氧化性，除电子转移外，还可通过提高环境pH和生成活性氧（⋅OH、⋅O₂^-和¹O₂）对EPS和细胞结构进行破坏，从而促进有机物的释放，在污泥厌氧发酵体系中发挥重要作用。PF还可以破坏秸秆结构，去除木质素，从而提高秸秆的生物可利用性。因此，PF在污泥秸秆共发酵体系中有巨大的应用潜力。然而，目前关于PF促进发酵的研究大多集中在单一污泥上，鲜有人探究其在共发酵体系中的作用。

基于以上研究背景，本研究首次探究了PF预处理对剩余污泥-玉米秸秆厌氧共发酵体系的影响。研究了不同PF投加量下，反应体系有机物增溶、水解的变化及SCFAs的生成情况。此外，通过测定关键性水解酶活性及EPS结构的变化，结合高通量测序结果对功能微生物群落演替的分析，揭示PF对共发酵体系的作用机理。为了进一步实现污泥的资源化，还对发酵过程中及结束后的铁磷变化进行了监测并证实了蓝铁矿的形成。本研究将为污泥-玉米秸秆共发酵产酸及废弃物的资源化利用提供参考。

部分图表

图1 预实验中PF预处理对SCOD、可溶性多糖和可溶性蛋白的影响

图2 发酵过程中SCFAs的含量变化及第7天SCFAs的组成

图3 发酵结束后剩余污泥的XRD分析

引文格式

于欣田, 曾薇. 碱-高铁酸钾预处理促进污泥-玉米秸秆共发酵产酸[J/OL]. 能源环境保护: 1-12[2024-08-26]. https://doi.org/10.20078/j.eep.20240804.

YU Xintian, ZENG Wei. Alkaline-potassium ferrate pretreatment promoting acid production through co-fermentation of waste activated sludge and corn straw[J/OL]. Energy Environmental Protection: 1-12[2024-08-26]. https://doi.org/10.20078/j.eep.20240804.

　　责任编辑：宫在芹

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