金屬離子緩解腐殖酸對厭氧消化抑制影響與機理探究

2023-05-17 10:34:29

摘要：

01文章亮點

區別于從污泥系統分離出腐殖酸（HA）和酶添加等手段緩解HA抑制，以培養“無”HA和金屬離子剩余污泥、再投加HA和金屬離子方式探究解抑制效果

單一金屬離子解抑制效果高達65%，組合金屬離子可實現協同作用（“1+1>2”），解抑制效率高達80%

金屬離子與HA結合可間接釋放并激活厭氧消化關鍵酶，進而促進有機質降解率為解抑制主因

實際污水處理廠因進水或工藝不同，剩余污泥中所含金屬離子含量有可能實現“自屏蔽”效果

02文章簡介

污水中COD所含化學能通過污泥厭氧消化可實現的能源轉化效率較低。其中，主要原因是剩余污泥中存在的腐殖質（HSs）物質對厭氧消化的抑制作用。剩污泥中HSs主要來源于餐廚垃圾、樹葉、廁紙等，屬于較難降解有機物，最終轉移到剩余污泥中，占污泥VSS量6~20%。HSs進入厭氧消化系統，會抑制污泥厭氧消化效率。針對腐殖酸（HA，HSs重要組成成分）對間歇或半連續式厭氧消化抑制研究發現，HA 在厭氧消化中，通過降低細菌豐度和抑制酶活性而抑制水解和產甲烷階段；HA雖可能作為電子傳遞體或電子受體促進酸化，但整體表現為對厭氧消化能源轉化出現抑制；隨HA濃度增加抑制程度不斷加劇，間歇厭氧消化過程抑制率高達35.1%；連續厭氧消化并未因長期馴化作用而出現對HA適應性而減緩抑制，反而抑制率高達74.3%。

基于污泥有機物能源化目標，人們希望盡可能提高厭氧消化效率，這就需要尋求合適的緩解HA抑制手段方法。存在兩種緩解HA抑制厭氧消化傳統手段：1）直接將HA從污泥中分離，根除影響；2）添加酶制劑，緩解因HA導致的酶活性降低。前者思路過于簡單，實際工程難以實現；而后者也并非是直接針對HA的解抑制手段，不過是一種常規厭氧消化效率提升手段。

本團隊初探發現，金屬離子與HA有較好的絮凝結合能力。基于前期實驗（Li et al., 2019aand2019b，文獻詳細信息參見原文），以實驗室培養“無”HA和金屬離子污泥為研究對象，再分別投加不同劑量HA與金屬離子進行厭氧消化，目的是探究金屬離子緩解HA抑制的效果，厘清金屬離子解抑制的微觀機理。

單一金屬離子投加結果（圖1）顯示，金屬離子可以一定程度緩解HA對厭氧消化系統的抑制作用；Ca2+最佳解抑制濃度為100 mg Ca2+/L，解抑制率為65.4%；Al3+最佳濃度為70 mg Al3+/L，解抑制率為65.7%。分析其原因，金屬離子通過靜電引力、吸附架橋與絮凝網捕等作用與HA 結合，導致系統內HA“失效”，間接“激活”了關鍵酶活性（圖3與圖4），進一步促進VSS降解而提高了厭氧消化能源轉化效率（圖5）。而Al3+最佳作用濃度低于Ca2+是因為Al3+水解單體、多體或聚合物具有更強的網捕卷掃能力，表現為更強的與HA結合能力。

組合金屬離子投加結果（圖2與圖6）顯示，低Ca2+與Al3+組合（50 mg Ca2+/L+10mg Al3+/L）解抑制率為80.1%，高于各自單獨作用解除抑制率之和。機理被歸納為Al3+與HA結合能力強于Ca2+；在金屬離子組合系統中低濃度Al3+迅速與HA結合，而此時仍有部分HA處于游離狀態，Ca2+通過吸附架橋作用進一步與HA結合；二者協同作用擴大了體系對HA的解抑制效果，表現為“1+1＞2”的結果。

文章結尾指出，實際污水處理廠污泥厭氧消化有可能實現金屬離子“自屏蔽”現象。中國北方地區污水處理廠因高濃度Ca2+和Mg2+有可能比南方污水處理廠更容易實現自屏蔽效應；投加Al鹽和Fe除磷藥劑的污水處理廠也較容易出現“自屏蔽”現象。

03重要結論

金屬離子緩解HA抑制是一種原位、可持續提高厭氧消化效率的手段，解抑制過程并不會對厭氧消化系統運行產生負面影響或增加額外成本。實際污水處理廠種類繁雜的金屬離子或許在適當濃度水平可以實現“自屏蔽”HA的抑制影響，對厭氧消化效果并無大礙。

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