零价铁驯化污泥对餐厨垃圾厌氧消化产甲烷的影响

接种污泥驯化过程中pH随时间的变化曲线见图2。A1、B1进行半连续式投料驯化培养，其起始pH 6.5，在为期20 d的驯化过程中均呈现先降低后升高的趋势，第九天A1反应器中的pH降至最低(pH 4.7)，第12天对照组B1的pH达到最低(pH 4.6)，驯化结束时，A1和B1反应器中pH分别为7.2和7.3。在驯化的第四天因停电1 d，导致餐厨垃圾发生微酸化，故A1、B1第四天以后测得的pH均偏低。A2、B2进行间歇式投料驯化，其初始pH分别为6.6和6.5，A2组pH第二天降至最低值4.3后逐渐回升，至第七天达5.6，后又降至4.6，最后逐渐回升至驯化结束时的7.5。对照组B2的pH在第三天达到最低值(pH 4.0)后逐渐回升，第七天达到5.5，其后变化过程类似于A2，驯化结束时为pH 7.5。无论是半连续式进料还是间歇式进料，厌氧驯化过程中均经历了pH先降低后升高的过程，这主要是基于厌氧消化过程分多阶段完成的特点。首先是难溶性大分子物质的水解过程，将难降解大分子转变成易降解的小分子，接着是酸化阶段，将小分子物质转变成有机酸，此时易出现pH下降的现象，但随着产氢产乙酸阶段的进行，pH逐渐呈现上升趋势，至产甲烷阶段pH恢复至偏中性。同时，由图2可知，除个别点外A1、A2组的pH均高于B1、B2组，这主要是因为Fe0具有较强的还原性，在酸性环境中失去电子变成Fe2+，溶液中的H+在产氢产酸菌的作用下得电子并合成H2，减少了中间酸积累从而提升了系统的pH。鉴于酸化是导致厌氧消化产甲烷系统失效的主要原因，因此，适量添加零价铁粉可更好地保证厌氧系统的正常运行。

2.2 污泥驯化过程中COD的变化

接种污泥驯化过程中COD随时间的变化曲线见图3。A1、B1组COD在起始阶段分别为14 100、15 300 mg/L ，第12天达最大值37 600、43 200 mg/L，在20 d的驯化结束时其COD分别为9 600、11 617 mg/L。A1、B1的COD均呈现先增加后降低的趋势，其主要原因是采用半连续的投料方式添加餐厨垃圾，随着餐厨垃圾的累积以及有机酸的不断产出，第12天COD达最大值，而后随着产甲烷菌对有机酸的不断分解COD开始下降。与对照组B1比较，A1组的COD去除率提升了7.84%，表明在餐厨垃圾中添加适当浓度的Fe0促进了产甲烷菌对有机酸的分解。

A2、B2组的COD在第三天时分别为32 400 、40 800 mg/L，之后开始下降，至第六天分别为26 000、19 600 mg/L，然后开始回升，至第12天达最大值，分别为60 400、40 800 mg/L，其后一直下降，至驯化结束时COD分别为13 200和12 800 mg/L。A2、B2组的COD起始高于A1、B1组，是因为一次性加入餐厨垃圾后，其中的非溶大分子有机物快速水解成小分子，导致溶液中COD偏高，第三天开始下降是因为产甲烷菌开始分解反应物中的有机酸所致，至第六天，待易降解有机物质被分解后，其他难降解有机物进行二次水解和酸化，因而表现为COD的再次增加，第12天后可水解酸化有机分子基本完成水解酸化过程，故此时COD达峰值，然后，随着产甲烷过程的进行，COD逐步下降至最后驯化结束。与对照组B2相比，B1组的COD去除率降低了3.12%，表明在间歇式单相厌氧发酵中，在50 g餐厨垃圾中添加50 mg零价铁降低了产甲烷菌的活性。这主要是因为高浓度零价铁的存在对厌氧消化过程产生了反馈抑制现象[10]。铁盐或亚铁盐浓度过高产生的高渗透压会使微生物细胞脱水引起细胞原生质分离，在高浓度情况下因盐析作用使脱氢酶活性降低，从而使产甲烷菌中的NADPH→NADP-过程缓慢或停止，乙酸逐渐积累，COD开始升高[14]。

2.3 污泥驯化过程中VFAs的变化

接种污泥驯化过程中的VFAs变化曲线见图4。A1、B1、A2、B2的VFAs从第三天的83.3、79.5、202.0、256.6 mg/L逐渐增长至第12天的386.7、460.6、472.5、450.8 mg/L，然后逐渐降低，至驯化结束时，分别为95.9、86.4、179.7和247.9 mg/L。在反应初期，与对照组相比，A1反应器中的VFAs并无显著差异，但在第12天，添加零价铁的A1反应器中VFAs已明显低于B1，说明A1系统更适合于厌氧产甲烷过程的进行。第6～12天A1、B1组以及A2、B2的VFAs趋于相同，主要原因是停电导致餐厨垃圾温度升高而部分酸化，所以整体提升了反应器的VFAs浓度。A2和B2组因为前期积累的VFAs过多导致产甲烷菌活性减退，从而表现为后期甲烷浓度的明显差异。而A1、B1组虽然在前期因外部原因提升了VFAs，但由于是半连续式进料，基质浓度保持较低，整个系统仍能较快恢复，从而有效地将VFAs转化成甲烷。因此，采用半连续方式运行，可更好抵御外界原因造成的系统崩溃。

2.4 驯化后污泥接种对餐厨垃圾厌氧消化产甲烷的影响

驯化后污泥接种对餐厨垃圾厌氧消化日产甲烷量影响见图5。在驯化后的产气活性测定阶段，4组试验产甲烷量均呈现为先增加后减少的趋势，A3组在第四天产甲烷量达最大值，B3、A4、B4组日产甲烷量均在第五天达到最大值，A3、B3、A4和B4组分别为287.5、255.0、252.5和290.0 mL;在25 d的测试过程中4组的累积产甲烷量分别为2 007.9、1 653.3、1 543.7、1 715.6 mL，A3组累积产甲烷量比B3组多354.6 mL，表明经低浓度零价铁驯化后的污泥A1活性高于污泥B1，且在低有机负荷下对厌氧系统显示出促进作用;而A4组累积产甲烷量比B4组少171.9 mL，主要原因是在驯化时一次性投入50 mg零价铁导致反应器中的亚铁盐和铁盐浓度偏高，微生物菌群受到盐析作用影响，从而导致A2组污泥的活性降低，因而接种该污泥的A4组产生的甲烷气体减少。

3 小结

污泥经过驯化后对餐厨垃圾厌氧有明显的效果，尤以每日添加2.5 g餐厨垃圾和2.5 mg零价铁方式驯化接种污泥系统运行稳定，未出现严重酸积累现象，能最大程度地降低餐厨垃圾水解酸化对厌氧微生物群落的破坏，零价铁对系统表现出促进作用。

以每日添加2.5 g餐厨垃圾和2.5 mg零价铁方式驯化污泥，进行餐厨垃圾厌氧发酵效果最好，第四天达到最大产气效率，为287.5 mL，平均产气效率为77.2 mL/d，相比对照组日平均产气率提高了17.74%。