[发明专利]一种铁电极活化过硫酸盐预处理污泥优化产酸结构的方法

说明书

本发明公开了一种铁阳极联合电激活过硫酸盐预处理优化剩余污泥厌氧发酵产酸过程中产酸结构和提升短链脂肪酸产量的方法。具体过程为：采用污泥作为发酵底物；采用单室电解池为反应装置；采用铁片为阳极，石墨棒为阴极。污泥加入电化学反应池，同时在发酵基质中加入过硫酸盐通电进行预处理，然后调节初始pH为10进行厌氧发酵，得到组成结构优化的短链挥发性脂肪酸。本发明以污水处理厂污泥为原料，通过控制预处理体系中的铁浓度，电流大小，通电时间和过硫酸盐浓度，能够实现最大程度的乙酸产量，有助于实现污水处理厂的碳源内循环和推进污泥资源化利用。同时该方法还具备操作简单、便于管理，性价比高的优势。

技术领域：

本发明主要涉及到环保技术领域，具体涉及一种使用铁电极活化过硫酸盐高级氧化预处理污泥优化产酸结构以及促进挥发性脂肪酸产生的体系及方法。

背景技术：

污水同步脱氮除磷是防止水体富营养化的重要手段，其中利用活性污泥中的微生物脱除污水中的氮磷是最常见的方法。然而，活性污泥体系中微生物处理氮、磷等营养物质时，需要同化大量的有机化合物。但在我国的污水处理现状中，由于污水有机物含量低，雨污分流不完全，南方降水量高等原因，导致污水中有机质(碳源)含量通常不能满足体系中微生物脱氮除磷的需求。已有污水处理厂解决方案一般为外部投加甲醇，乙醇，乙酸等碳源。大量碳源添加，不仅造成资源浪费，同时也不利于生态友好型社会的建设。因此，针对污水处理脱氮除磷中碳源不足的问题，科研工作者进行了大量的探索研究，一致认为针对剩余污泥的资源循环利用是最佳途径。污水处理中排出的剩余污泥有机质含量高达40-70％，具有提炼大量可供微生物利用的碳源的潜力，为剩余污泥的资源循环利用提供了充分的理论基础。剩余污泥中的短链脂肪酸(Short Chain Fatty Acids,SCFA)是一种优质碳源，包括有乙酸、丙酸、丁酸、异丁酸、戊酸、异戊酸等极易被微生物利用的小分子物质。为了避免额外投加过多碳源，污泥厌氧发酵产生短链脂肪酸得到了各国学者的青睐。这是因为污泥厌氧发酵不仅可以实现污泥减量化，而且污泥发酵产生的短链脂肪酸可以补充微生物脱氮除磷时所需要碳源，使其有效降低水体氮磷含量，并有助于提升水体富营养化防治水平。

有研究发现，乙酸在六种短链脂肪酸中最容易被微生物利用并作为电子供体提供能量，促进脱氮除磷效果最好。然而，在研究者大量关注提升由污泥产短链脂肪酸产量的同时，却对于污泥厌氧发酵后产生的脂肪酸组成有所忽视，相关文献研究和专利报导很少。

研究表明，污泥厌氧发酵产酸过程中，硫酸根的存在会刺激硫酸盐还原菌的生长，其生长繁殖会优先利用丙酸作为电子供体，从而提升发酵产物中乙酸所占比例。也有报导表明，铁元素会促使铁还原菌和硫酸盐还原菌会形成更稳定的生态位，从而更进一步促进硫酸盐还原菌的生长，并进一步增加丙酸消耗，从而提升乙酸比重。

一般来说，污泥厌氧发酵过程包括溶出、水解、酸化和产甲烷四个阶段。其中挥发性脂肪酸在酸化阶段产生。通常，溶出和水解速率慢，以及产生的挥发性脂肪酸容易被消耗是产酸效率低的主要原因。所以，想要促进短链脂肪酸的累积，可以由促进水解和避免脂肪酸消耗入手。由于产甲烷菌较长的世代时间，可以通过缩短污泥泥龄来控制脂肪酸的消耗，从而使得短链脂肪酸得到大量累积。目前，已报道的提高污泥溶出和水解速率的预处理方法有：热处理、热化学处理、机械处理、超声处理以及酶处理等。然而由于能量消耗大，操作繁琐等原因，这些预处理方法在实际应用中受到很大的限制。

近年来，已有大量基于高级氧化方法处理各类污染物的研究，如处理四氯苯酚等惰性有机物。常用高级氧化方法有Fenton氧化技术、光催化氧化技术、臭氧氧化技术和基于硫酸根自由基的高级氧化技术。活化后的硫酸根自由基具有一个孤对电子，具有很高的氧化还原电位(E0＝2.5-3.1V)，高于常见的羟基自由基(·OH)的氧化还原电位(E0＝1.9-2.7V)。同时由于硫酸根自由基适用的pH广泛，稳定性好，近年来得到非常广泛的应用，是未来高级氧化技术创新和研究的新方向。

常用的过硫酸盐活化方式有光活化，热活化，过渡金属活化以及电活化等。传统的过渡金属激活方法为亚铁离子激活，激活公式如下：