摘要：
“十四五”规划在技术要求中明确提出限制污泥填埋，全面提升环境基础设施水平，城市污泥无害化处置率达到90%，鼓励污泥能量资源回收利用。污泥厌氧消化是对有机污泥进行稳定处理的常用的方法，产生大量的高热值的沼气作为能源利用，使污泥无害化、资源化。大量污水厂为保证出水质量，向工艺中投加含铝混凝剂，从而产生了大量难以进行厌氧消化的剩余活性污泥和含铝化学污泥（Al-WAS）的混合物。针对这一问题2022年5月23号南京师范大学环境与生态修复团队陈赟博士提出了一种“以废治废”的策略，采用投加陈化的铁混凝污泥强化含铝剩余活性污泥厌氧消化性能。
中国经济的快速发展增加了污水处理厂（WWTP）的数量，为达到国家城镇污水处理厂污染物排放标准中总磷一级A标准（0.5 mg/L），化学絮凝剂铝盐通常添加到一些污水处理厂的生物单元中，形成Al-WAS。厌氧消化（AD）是处理Al-WAS经济有效的方法，但由于铝混凝剂较强的团聚性，含铝污泥结构紧密，界面反应的能量壁垒较高，及其生物毒性，这使得含铝污泥的厌氧消化性能较差。
为了解决上述问题，南京师范大学环境与生态修复团队陈赟博士提出将三价铁引入含铝污泥的厌氧消化过程中，这一举措大幅提高了含铝剩余污泥厌氧消化的甲烷产量（图1）。研究分析了厌氧消化过程中含铝污泥的物理结构、固-液界面能等的变化，确定了三价铁在含铝剩余污泥厌氧消化中的促进机制：一方面，瓦解了含铝污泥紧密的物理结构，提供了更多污泥与微生物的结合位点，从而提高了污泥中蛋白类有机质的水解；另一方面，显著降低了含铝污泥表面的能量壁垒，使反应的路易斯酸碱吉布斯自由能（
）由正转负，为污泥表面生化反应自发进行提供能量条件。此外，三价铁的介入还使消化污泥由亲水转为疏水，极大提高了消化污泥的脱水性能。
图1：三价铁促进含铝剩余污泥厌氧消化机理
向AD系统中添加适量的铁可有效降低厌氧微生物与含铝污泥絮体之间界面的能量屏障，并促进其接触，从而增加甲烷的潜在产量，但成本高昂，需要开发一种低成本的替代方法。在以上研究基础上，团队收集污水厂的铁混凝化学初沉污泥，即含铁化学强化初沉（Fe-CEPS）污泥作为替代铁源，以降低工艺成本。研究发现在现场存放过程中Fe-CEPS污泥会发生陈化现象，随着陈化时间延长，Fe-CEPS污泥中的铁氧化物的形态和组成以及污泥的结构均发生了显著的变化，如三价铁逐步被还原为二价铁，铁氧化物由初期的水铁矿逐步转化为强晶型的蓝铁矿；污泥表面官能团也随着陈化时间的延长逐步由Fe-O键向Fe-P-O键转化。
图2：陈化过程影响含铁化学初沉污泥的结构和成分
研究表明，将不同陈化时间下的Fe-CEPS污泥投加到含铝剩余污泥中进行厌氧消化，呈现出不同的分散特性。陈化时间越长的Fe-CEPS污泥导致的消化污泥团聚现象越明显，不利于与微生物接触。而投加了陈化3天时间的Fe-CEPS污泥显著降低了消化污泥的分形维数，表明消化污泥松散的物理结构的形成。
图3：不同陈化时间处理Fe-CEPS污泥强化Al-WAS产甲烷及VFAs变化。
添加不同老化时间的Fe-CEPS污泥对甲烷和VFAs生成有显著影响。铁添加组的甲烷生成速率略高于对照组。三个短期老化组（C1、C3和C5）的累积甲烷产量分别比对照组高20.3、28.6和20.7%，三个组的最大甲烷产量分别为134.1、143.3和134.5 mL/g VS。同时在对照组中检测到更多累积的VFAs，表明添加Fe-CEPS污泥可以缓解VFAs的累积。
研究结果表明，含有多种形式铁的Fe-CEPS污泥是提高铝甲烷产量的有效替代铁源。污泥的老化时间对铝的甲烷潜在产量有显著影响。在较短的老化时间内，Fe-CEPS污泥含有无定形铁氧化物，具有较大的表面积和丰富的反应位点。因此，Fe-CEPS污泥可以作为厌氧微生物和污泥絮体之间的桥梁，以克服能量障碍，最终提高了Al-WAS产甲烷的能力。这证明Fe-CEPS污泥作为替代铁源能有效提高Al-WAS产甲烷产量，最终实现“以废治废”的目的。
厌氧消化工艺作为一种重要的污水污泥处理技术，其研究和应用已经受到了科研和工业圈的广泛关注。国内北京排水集团、苏伊士水务、天津创业环保、重庆中法水务、中信环境等环保企业，应用MultiTalent 203甲烷潜力测试系统用于评价污水处理厂污泥厌氧消化的产气性能及不同预处理、共消化等对产气潜力的影响，为优化工艺运行和提升运行管理水平做指导。
随着“十四五”规划和30·60双碳目标的提出，污泥处理的技术路线正逐步清晰化：“十四五”规划在技术要求中明确提出限制污泥填埋，稳步推进资源化，鼓励污泥能量资源回收利用。30·60双碳目标提出后，未来污泥处理处置将以节能降耗及能源资源回收为目标，这对污泥处理提出了更为清晰的技术路径方向，厌氧消化是优选途径。
