Fe3O4納米顆粒對厭氧消化產(chǎn)甲烷過程的影響研究.pdf

1、厭氧消化作為將環(huán)境治理、能源回收與生態(tài)良性循環(huán)相結(jié)合的綜合系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于廢水處理、污泥處理、城市生活垃圾處理、農(nóng)村農(nóng)作物秸稈和畜禽糞便厭氧發(fā)酵等多個(gè)方面。在參與處理過程的眾多微生物中，產(chǎn)甲烷菌由于對厭氧條件要求高、氧化還原電位低、最適pH范圍窄、對有毒有害物質(zhì)敏感等特點(diǎn)，成為制約厭氧消化系統(tǒng)處理效率的主要原因。Fe作為參與產(chǎn)甲烷菌代謝活動(dòng)最重要的一種金屬，在厭氧消化體系中引入不同形態(tài)/價(jià)態(tài)的Fe以提高產(chǎn)甲烷菌代謝活性與系統(tǒng)效率一直是該

2、領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。但是投加濃度難以控制、陰離子抑制、生物利用度低、化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定等問題嚴(yán)重影響其應(yīng)用性。本研究針對這一問題而展開，提出向厭氧消化體系中引入Fe3O4納米顆粒（Fe3O4NPs），通過兩階段實(shí)驗(yàn)考察其對厭氧消化產(chǎn)甲烷過程的影響，并對Fe3O4NPs促進(jìn)/抑制厭氧消化產(chǎn)甲烷效應(yīng)進(jìn)行分析，進(jìn)而為提高污水、污泥、垃圾、農(nóng)作物秸稈和畜禽糞便厭氧消化處理產(chǎn)氣效能提供新的思路和理論依據(jù)。
　　第一階段研究以乙酸鈉模擬廢水為底物，通

3、過序批式靜態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置宏觀地從CODCr降解、系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)（pH/ORP）、累積氣體/甲烷產(chǎn)量及比產(chǎn)甲烷速率角度考察了不同濃度、粒徑Fe3O4NPs對厭氧消化產(chǎn)甲烷過程的影響。研究結(jié)果表明，除去80～100 nm粒徑段外，低粒徑的Fe3O4NPs（0～80 nm）均能加快厭氧降解CODCr過程，其中粒徑為40～60nm Fe3O4NPs對底物降解的促進(jìn)作用最為明顯。不同添加粒徑對系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)（pH/ORP）的影響趨勢大體一致：添加Fe3O

4、4NPs加快了底物的降解速率，提高體系pH，形成弱堿性環(huán)境（7.0～7.6）；同時(shí)，F(xiàn)e3O4NPs作為混合價(jià)態(tài)氧化物使體系ORP經(jīng)歷了小幅度增長后快速降低（~340 mV），形成更加有利于厭氧產(chǎn)甲烷菌生長代謝的厭氧環(huán)境。Fe3O4NPs對厭氧累積氣體/甲烷產(chǎn)量的影響隨著添加粒徑、濃度的增大表現(xiàn)出“先增后抑”的現(xiàn)象，且適當(dāng)添加濃度（100～400 mg/L）可以明顯提高比產(chǎn)甲烷速率，并使其在相對長時(shí)間內(nèi)保持在較高水平。綜合比較Fe3O4

5、NPs對厭氧產(chǎn)甲烷過程宏觀指標(biāo)的影響，研究選取40～60 nm、200 mg/L（0.117 g/gVSS）作為最優(yōu)投配條件。
　　第二階段研究以乙酸鈉模擬配水為底物，通過半連續(xù)流實(shí)驗(yàn)裝置，在最優(yōu)投配條件下（40～60 nm、0.117 g/gVSS)，從Fe賦存形態(tài)、Fe3O4NPs結(jié)構(gòu)變化、關(guān)鍵酶（F420、CoM）含量及菌落多樣性與豐度角度進(jìn)行了Fe3O4NPs對厭氧消化系統(tǒng)影響分析。研究結(jié)果表明，F(xiàn)e3O4NPs可以向體系

6、中緩慢釋放Fe2+/Fe3+，并在微生物協(xié)同作用下使體系中Fe2+含量明顯提高，由對照組的1.75 mg/L提高至3.6 mg/L；結(jié)合稀釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知Fe3O4NPs作為鐵源對維持體系Fe2+含量、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性有良好的效果；另外，對比Fe2+實(shí)驗(yàn)組（4 mg/L）結(jié)果可知，F(xiàn)e3O4NPs主要是以作為種間電子傳遞載體的方式提高厭氧消化效率。研究對厭氧污泥中不同形態(tài)Fe含量的測定結(jié)果表明，添加的Fe3O4NPs部分通過吸附、絡(luò)合反應(yīng)等

7、方式明顯提高污泥中總鐵與生物有效性鐵的含量，由對照組的5.06％提升至12.4%。
　　另外，研究通過特征酶（F420、CoM）含量的變化情況考察了Fe3O4NPs對厭氧產(chǎn)甲烷代謝活性的影響，結(jié)果表明F420、CoM含量分別由對照組的0.523 umol/gVSS、5.352 umol/gVSS提升至0.956 umol/gVSS與9.267 umol/gVSS，同時(shí)結(jié)合厭氧體系溶解性微生物代謝產(chǎn)物含量增長結(jié)果得知：Fe3O4NP

8、s可以明顯提高厭氧產(chǎn)甲烷菌代謝活性。對厭氧污泥進(jìn)行高通量測序得知Fe3O4NPs可以使體系微生物菌落多樣性提高，OUT含量可由對照組43提高至47；同時(shí)，可使微生物優(yōu)勢種發(fā)生改變，改變產(chǎn)甲烷菌屬豐度，進(jìn)一步強(qiáng)化Methanolinea優(yōu)勢菌種地位，同時(shí)使Methanoregula、Methanosaeta、Methanosarcina含量提高，Methanobacterium含量降低。
　　結(jié)合 Fe2+促進(jìn)厭氧產(chǎn)甲烷過程與菌落豐