1 引言

　　隨著有關氣候變化的《巴黎協(xié)定》落槌，歐美國家業(yè)已制定的面向2030年處理實現(xiàn)“碳中和”運行之目標及路線圖行將付諸實施.污水處理實現(xiàn)“碳中和”運行的狹義概念即能源自給自足.對污水處理廠來說，唾手可得的能源來源便是剩余污泥.為此，老生常談的污泥厭氧消化技術再次受到學界與業(yè)界的追捧，這也使得剩余污泥這一污水處理的大“負擔”*;作為一種可再生能源的載體，當今學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”實現(xiàn)目標.

　　然而，剩余污泥中穩(wěn)固的細菌細胞、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物降解的腐殖質(zhì)等限制著有機能源轉(zhuǎn)化率的提高.盡管目前存在多種針對“細胞破壁”、“木質(zhì)素/腐殖質(zhì)破穩(wěn)”的預處理技術，但這些預處理技術操作較為復雜、且消耗一定的資源與能源，有時還可能導致能源產(chǎn)量入不敷出.

　　有鑒于此，通過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可促進有機物水解、H2可結合內(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，價格低廉、易于運輸，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)也相對簡單.進言之，鐵腐蝕后產(chǎn)生的Fe2+/Fe3+亦可通過鐵接觸除磷技術(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-起主導作用，所以，PO43-主要富集在鐵屑表面;通過將包裹廢鐵屑的透水網(wǎng)/包取出、清洗除去鐵屑表面PO43-，并進一步通過外加磁場方式誘導Fe(OH)2、Fe3(PO4)2及FePO4沉淀可以實現(xiàn)磷回收.另一方面，對鐵鹽的去除/回收還可避免鐵在厭氧消化系統(tǒng)中過多積累而導致污泥無機性增強、VSS下降所引起的系統(tǒng)運行惡化情況的發(fā)生.除此之外，鐵與污泥中惡臭有機硫化物反應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化厭氧消化產(chǎn)CH4過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)濟性等方面內(nèi)容.

　　圖 1廢鐵屑強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，零價鐵(Fe0)在水溶液中作為電子供體會發(fā)生析H2腐蝕現(xiàn)象，如式(1)所示，是一種常見的化學過程.然而，這一簡單的化學過程與厭氧消化相結合可能就會出現(xiàn)一些如上所述的協(xié)同效應，至少緩釋析出的H2可作為嗜氫產(chǎn)甲烷過程和同型產(chǎn)乙酸過程的底物，直接促進CH4增產(chǎn).況且，零價鐵給出電子還可能還原污泥中夾雜的一些難降解有機物.

　　2.1 鐵腐蝕析氫原理

　　有關鐵腐蝕析氫原理通?？捎霉?1)表示.然而，鐵腐蝕析氫是一個復雜的化學過程，需要電子和質(zhì)子同時存在，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，兩個氫原子再進一步結合成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，在厭氧條件下Fe(OH)2并不穩(wěn)定;按Shikorr反應，F(xiàn)e(OH)2在溫度超過80℃時會轉(zhuǎn)化為Fe3O4，如公式(3)所示;但在室溫條件下，該反應進行緩慢或幾乎不進行，但是在鐵存在的條件下，可催化該反應進行.因此，反應(1)和(3)在厭氧條件下鐵腐蝕析氫過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相應縮短，造成系統(tǒng)運行不穩(wěn)定.根據(jù)式(1)，每mol的Fe可以生成1 mol的H2.如果式(3)所示的反應同時發(fā)生，則每mol鐵就會額外生成0.33 mol的H2，但式(3)反應進行的程度不同，析氫速率也就不盡相同.