通过厌氧消化和硫酸盐还原从强化铁的一级污泥消化物中实现铁和硫的闭环回收：性能与应用前景

《Journal of Water Process Engineering》：Closed-loop iron and sulfur recycle from digestate of iron-enhanced primary sludge via anaerobic digestion and sulfate reduction: Performances and application prospects

化学增强初级处理耦合厌氧消化-硫酸盐还原工艺实现同步生物能源与磷回收，但面临铁硫化学物质需求大的瓶颈。本研究通过酸化回收FeS富集消化残渣中的铁硫资源，将新鲜铁投加量降至5.3 mg/L（原20 mg/L），硫投加量降至1.3 g/L（原3.9 g/L），构建了CEPT/反硝化在主流与AD-SR/酸化在旁路的集成系统，形成化学输入闭环，为低碳可持续的市政污水处理提供新范式。

　　

程鹏|吴张松|刘建勇

上海大学环境与化学工程学院，中国上海南陈路333号，200444

摘要

化学强化一级处理（CEPT）结合厌氧消化和硫酸盐还原（AD-SR）为从城市污水中同时回收生物能源和磷（P）提供了一种有前景的策略。然而，其实际应用受到对外部铁（Fe）和硫（S）化学品需求的限制。本研究探讨了通过酸化从富含FeS的AD-SR消化物中回收Fe和S的可行性，以减少外部化学品的消耗。首先，对添加了铁的一级污泥进行了AD-SR处理，以回收甲烷和磷，其中95%的硫和100%的铁转移到了富含FeS的消化物中。随后，在不同pH值下对富含FeS的消化物进行酸化处理，以释放Fe和S，在pH=2时，Fe和S的释放效率分别为73.5%和65.7%。然后，研究了在CEPT过程中将回收的Fe作为混凝剂用于去除城市污水中的COD和磷，这使新鲜铁的投加量从20 mg/L降低到5.3 mg/L。同时，回收的S在AD-SR过程中的应用将外部硫酸盐的投加量从3.9 g/L降低到1.3 g/L。基于这些发现，提出了一种新的集成工艺，实现Fe和S的闭环回收，用于可持续的城市污水处理，包括主流的CEPT/Anammox工艺和侧流的AD-SR/酸化工艺。该工艺为碳中和的污水处理提供了一条实际路径，同时减少了化学品的消耗，并提高了生物能源和磷的回收率。

引言

城市污水含有宝贵的资源，特别是有机碳和磷（P），这些资源可以在处理过程中被回收而不是简单地被去除。然而，当前的污水处理厂（WWTPs）在追求碳中和和可持续运营方面面临着重大挑战，包括高能耗和化学品消耗、大量的污泥产生以及显著的温室气体排放[1]，[2]。这些挑战不仅增加了运营成本，也对环境可持续性造成了压力。为了应对这些挑战，未来WWTPs的发展将重点关注最大化资源回收和推进低碳工艺[3]，[4]。一方面，这涉及从污水中回收有机物质和磷作为有价值的产品[5]，[6]。回收这些成分不仅提供了替代能源和肥料，还有助于减少污泥的产生[7]。另一方面，开发低碳和高效的氮去除技术对于减少整体碳足迹至关重要[8]，[9]。

为了实现这些目标，已经提出了A-B工艺并进行了广泛讨论[10]，[11]，[12]。其中，A阶段用于从城市污水中捕获有机物质和磷，而B阶段则在低碳条件下进行氮的去除。化学强化一级处理（CEPT），特别是使用铁盐，是一种突出的A阶段技术，能有效将有机物质和磷酸盐浓缩到添加了铁的一级污泥（Fe-PS）中，为后续的回收过程创造条件[10]，[13]。幸运的是，厌氧消化和硫酸盐还原（AD-SR）最近被开发出来，并被证明可以有效从Fe-PS中同时回收甲烷和磷[14]，[15]，[16]。然而，CEPT和AD-SR协同作用的实际应用和可持续性受到对外部铁（Fe）和硫（S）化学品的高需求和持续需求的严重限制，这是限制该组合工艺工程应用的核心瓶颈。

为了减少对外部Fe和S的依赖，研究了通过酸化从富含亚铁硫化物（FeS-rich）的AD-SR消化物中回收Fe和S的可能性[17]。事实上，已经研究了酸化从富含Fe和P的污泥中回收Fe的效率，其Fe释放效率很高[18]。相比之下，将其应用于从富含FeS的消化物中同时回收Fe和S的应用尚未得到探索，而这正是打破高化学品消耗瓶颈的关键。为了验证通过富含FeS的消化物酸化回收Fe和S的可行性，有两个关键的研究空白需要研究。首先，研究了pH值对从富含FeS的消化物中同时释放Fe和S效率的影响。其次，考虑到共溶物质的潜在干扰，回收的Fe和S在减少外部化学品需求方面的实际效果仍有待严格验证。

因此，本研究的目标是（1）优化AD-SR反应器的操作参数，并研究Fe和S向富含FeS的消化物的转移效率；（2）研究在不同pH值下通过酸化从富含FeS的消化物中释放Fe和S的效率；（3）评估回收的Fe在CEPT中增强有机物质捕获和磷去除的效果，以及评估回收的S在AD-SR系统中增强CH₄生产和磷释放的效果。最后，基于Fe和S回收效果的实验结果，提出了一种新的集成工艺，包括主流的CEPT/anammox和侧流的AD-SR/酸化。这种集成工艺打破了传统CEPT和AD-SR工艺对化学品的依赖，减少了化学品的投入，同时最大化了能源和资源的回收，从而为更可持续的WWTPs提供了途径。

部分摘录

Fe-PS和接种污泥

Fe-PS是从中国上海某污水处理厂的试验规模混凝池中制备的。向污水中添加了20 mg/L的三氯化铁（FeCl₃）和1 mg/L的聚丙烯酰胺（PAM）。混合和沉淀后，让混合物静置24小时。然后倾倒上清液并通过100目筛子过滤后使用。接种的污泥来自中国上海某厂处理湿垃圾的AD池。去除上清液后...

长期AD-SR系统的产甲烷性能

在启动阶段（第一阶段），AD-SR反应器的有机负荷率（OLR）为1.35 g COD/L/d（图1a），污泥停留时间（SRT）为25天。在这个阶段，甲烷生产的逐渐增加和稳定表明反应器成功启动。随后，为了提高磷的释放效率，在第21天到第160天之间，硫酸盐浓度逐渐从0.9 g SO₄^2?/L增加到3.9 g SO₄^2?/L（图S2）。相应地，...

结论

本研究证明，对富含FeS的消化物进行酸化处理可以实现Fe和S的有效闭环回收，从而将处理方式从依赖化学品转变为可持续的回收系统。结果表明，AD-SR实现了甲烷和磷的同时回收。此外，对富含FeS的消化物进行酸化处理释放了Fe和S，使其得以回收。另外，Fe的回收有效去除了污水中的COD和磷...

CRediT作者贡献声明

程鹏：撰写——初稿，研究，概念化。吴张松：研究，概念化。刘建勇：撰写——审稿与编辑，监督，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（2022YFE0112900）的财政支持。