一种利用硫代硫酸盐强化亚铁盐/过硫酸盐处理污泥产短链脂肪酸的方法

1.本发明属于环境保护及资源化技术领域，具体涉及一种利用硫代硫酸盐部分取代fe
2+
强化亚铁盐/过硫酸盐处理污泥产短链脂肪酸的方法。


背景技术：

2.城市污水处理厂每年会产生大量的剩余污泥，据统计，2020年我国剩余污泥总产量为1162万吨(含水率80％)。一方面，剩余污泥中含有病原体、重金属和难降解的有机污染物，若处理不当会对环境和人体健康会产生威胁；另一方面，剩余污泥中含有丰富的有机质，如蛋白质、碳水化合物等，应被视为资源而非废弃物处置，以满足污水厂持续运营和响应“双碳”目标。通常，剩余污泥的处置费用高达污水厂运营费用的20-50％(bioresource technology，2011，102(10)：5617-5625)，这对污水厂带来了巨大挑战。因此，迫切需要一种合适的污泥处理方式。
3.厌氧发酵可实现剩余污泥稳定化、减量化，还可从中回收高价值的产物，如甲烷、h2和短链脂肪酸(scfas)。相比产甲烷和氢气，scfas的运输和储存更加安全便捷，同时，剩余污泥厌氧发酵产scfas(9.12usd/m
3 was)较产甲烷(3.71usd/m
3 was)有更高的利润(bioresource technology，2018，260：105-114.)。此外，scfas可用作污水厂脱氮除磷的碳源，为解决我国污水厂长期面临的碳源不足困扰提供了新思路。然而，由于剩余污泥中的有机质通常被胞外聚合物“包封”，传统的剩余污泥发酵产scfas效率较低。


技术实现要素：

4.本发明为解决现有的剩余污泥厌氧发酵产scfas体系产酸量低、铁盐大量投加带来的“铁泥”沉淀等问题，提供一种利用硫代硫酸盐强化亚铁盐/过硫酸盐处理污泥产短链脂肪酸的方法。该方法投加硫代硫酸盐部分取代fe
2+
，加速fe
3+
生成fe
2+
，提高自由基生成效率，进一步促进胞外聚合物破裂，为发酵产酸提供了更多的有机质，从而提升了短链脂肪酸产量。
5.所述的利用硫代硫酸盐强化亚铁盐/过硫酸盐处理污泥产短链脂肪酸的方法为：污泥经沉降后去除上清液得到发酵基质；将发酵基质加入发酵罐中，投加过硫酸盐和亚铁盐，密封反应5-50min，优选10-30min后投加硫代硫酸盐；充分反应后充氮气驱除氧气，密封好发酵罐置于恒温培养箱中进行厌氧发酵产短链脂肪酸。
6.所述污泥为污水厂厌氧池污泥和剩余污泥。以tss计，剩余污泥的加入量不超过污水厂厌氧池污泥的2倍。
7.所述沉降时间为12-36h，沉降时污泥置于2-6℃环境下。
8.所述过硫酸盐、亚铁盐和硫代硫酸盐的摩尔比范围为4:1-4:1-3。
9.加入的盐的总量与污泥以tss计的质量比为0.5-1.5。
10.所述过硫酸盐为k2s2o8或na2s2o8中的一种或两种。
11.所述亚铁盐为feso4或fecl2中的一种或两种。
12.所述硫代硫酸盐为na2s2o3或k2s2o3中的一种或两种。
13.所述充分反应的时间为2-24h，优选6-10h。
14.所述充分反应后发酵罐内ph范围为3.0-5.0。
15.所述充氮时间为10-30min。
16.所述恒温培养箱的温度为25-40℃。
17.所述厌氧发酵时间为15-40d。
18.本发明中，利用硫代硫酸盐强化fe
2+
/过硫酸盐处理污泥产scfas的基本原理是：fe
2+
活化过硫酸盐产生强氧化性自由基(so4·-and
·
oh)破坏胞外聚合物使得有机质溶出，投加的硫代硫酸盐可充当还原剂，加速fe
3+
转化为fe
2+
，提高了fe
2+
利用效率，一定程度上避免了过剩fe
2+
对自由基的额外消耗，使得fe
2+
高效活化过硫酸盐产生自由基；同时，硫代硫酸盐可充当络合剂，与fe
2+
形成络合物，后者亦可活化过硫酸盐产生自由基。硫代硫酸盐的引入，使得自由基更高效生成，从而进一步促进了胞外聚合物破裂和细胞裂解，这为污泥产酸发酵提供了更多的生物可利用性有机质，即为产scfas创造了有利条件。此外，硫代硫酸盐强化fe
2+
/过硫酸盐处理污泥发酵产scfas体系，发酵后期产酸菌(例如罗姆布茨菌(romboutsia)、梭菌属(clostridium)和芽孢杆菌属(bacillus))丰度增加、酶活性增强(例如磷酸转乙酰酶、乙酸激酶、磷酸转丁酰酶、丁酸激酶)，促进了产酸代谢反应同时抑制了产甲烷菌(如甲烷鬃毛菌属(methanosaeta)减少了20％-30％)消耗scfas，这些因素共同达成了硫代硫酸盐强化fe
2+
/过硫酸盐处理污泥高效产scfas。
19.本发明的有益效果包括：
20.1、对污水厂的剩余污泥进行资源化利用产短链脂肪酸，节省了污泥的处置费用，降低了其对环境的潜在风险，实现了污泥减量化、资源化和无害化。
21.2、投加活性高、无毒害、成本低、应用广泛的硫代硫酸盐部分取代fe
2+
盐，进一步提升了短链脂肪酸产量，同时从源头减少了fe
2+
盐投加量，缓解了“铁泥”沉积问题，降低了发酵污泥的处理成本和难度。
22.3、将本发明得到的短链脂肪酸用作实验室运行的生物脱氮除磷系统(例如强化生物除磷(ebpr)反应器)，结果表明产生的短链脂肪酸可维持反应器的正常稳定运行(除磷率维持在70％-90％)。
23.4、基于本发明的经济评估表明，硫代硫酸盐强化fe
2+
/过硫酸盐处理污泥发酵产短链脂肪酸的经济效益为15～21$/t干污泥。
附图说明
24.图1是本发明对比例和实施例的短链脂肪酸产量图。
具体实施方式
25.下面结合具体实施例进一步说明本发明。
26.实施例1
27.将厌氧池污泥和剩余污泥在5℃环境下沉降24h后去除上清液，然后取200ml厌氧池污泥(含水率98.3％，ph7.12)和400ml剩余污泥(97.9％，ph7.05)装入发酵罐中，投加摩
尔比为4:3的过硫酸钾和feso4·
7h2o，其中过硫酸钾投加量为1.0mmol/g tss，密封反应30min后，投加硫代硫酸钠，投加量为0.25mmol/gtss，密封反应1h后，污泥上清液中溶解性fe
2+
/fe
total
为67.4％，ph为3.3。继续充分反应10h后，发酵罐充氮20min驱除氧气，随即密封发酵罐，置于恒温培养箱中进行产酸发酵，控制温度为35
±
1℃，期间污泥中的发酵菌将硫代硫酸钠强化fe
2+
/过硫酸钾处理溶出的有机质转化为短链脂肪酸，发酵24d时最高产量为1395mg cod/l，较相同条件下不加入硫代硫酸钠的fe
2+
/过硫酸钾处理组提高了1.4倍。
28.实施例2
29.将厌氧池污泥和剩余污泥在5℃环境下沉降24h后去除上清液，然后取200ml厌氧池污泥(含水率98.3％，ph7.12)和400ml剩余污泥(97.9％，ph7.05)装入发酵罐中，投加过硫酸钾和feso4·
7h2o，投加摩尔比为4:2，其中过硫酸钾投加量为1.0mmol/g tss，反应20min后，投加硫代硫酸钠，投加量为0.5mmol/gtss，反应1h后，污泥上清液中溶解性fe
2+
/fe
total
为69.2％，ph为3.5。充分反应10h后，发酵罐充氮20min驱除氧气，随即密封发酵罐，置于恒温培养箱中进行产酸发酵，控制温度为35
±
1℃，期间通过污泥中的多种发酵菌将硫代硫酸钠强化fe
2+
/过硫酸盐处理溶出的有机质转化为短链脂肪酸，发酵30d时最高产量为1283mg cod/l，较相同条件下不加入硫代硫酸钠的fe
2+
/过硫酸钾处理组提高了1.2倍。
30.实施例3
31.将厌氧池污泥和剩余污泥在5℃环境下沉降24h后去除上清液，然后取200ml厌氧池污泥(含水率98.3％，ph7.12)和400ml剩余污泥(97.9％，ph7.05)装入发酵罐中，投加过硫酸钾和feso4·
7h2o，投加摩尔比为4:1，其中过硫酸钾投加量为1.0mmol/g tss，反应10min后，投加硫代硫酸钠，投加量为0.75mmol/gtss，反应1h后，污泥上清液中溶解性fe
2+
/fe
total
为49.2％，ph为4.0。充分反应10h后，发酵罐充氮气20min驱除氧气，随即密封发酵罐，置于恒温培养箱中进行产酸发酵，控制温度为35
±
1℃，期间通过污泥中的多种发酵菌将硫代硫酸钠强化fe
2+
/过硫酸钾处理溶出的有机质转化为短链脂肪酸，发酵40d时最高产量为1338mg cod/l，较相同条件下不加入硫代硫酸钠的fe
2+
/过硫酸钾处理组提高了1.3倍。
32.对比例1
33.将厌氧池污泥和剩余污泥在5℃环境下沉降24h后去除上清液，然后取200ml厌氧池污泥(含水率98.3％，ph7.12)和400ml剩余污泥(97.9％，ph7.05)装入发酵罐中，静置10h后，充氮20min驱除氧气，随即密封发酵罐，置于恒温培养箱中进行产酸发酵，控制温度为35
±
1℃，发酵5d时短链脂肪酸最高产量为109mg cod/l。
34.对比例2
35.将厌氧池污泥和剩余污泥在5℃环境下沉降24h后去除上清液，然后取200ml厌氧池污泥(含水率98.3％，ph7.12)和400ml剩余污泥(97.9％，ph7.05)装入发酵罐中，投加过硫酸钾和feso4·
7h2o，投加摩尔比为1:1，其中过硫酸钾投加量为1.0mmol/g tss，反应1h后污泥上清液ph为3.6，充分反应10h后，发酵罐充氮20min驱除氧气，随即密封发酵罐，置于恒温培养箱中进行产酸发酵，控制温度为35
±
1℃，期间通过污泥中的多种发酵菌将fe
2+
/过硫酸钾处理溶出的有机质转化为短链脂肪酸，发酵18d时最高产量为593mg cod/l。