《Water》：Effects of a Chemically Enhanced High-Rate Activated Sludge Process Using Polyferric Sulfate on Organic Matter Recovery and Methane Production
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本研究评估了利用聚合硫酸铁（polyferric sulfate，PFS）的化学强化高负荷活性污泥（chemically enhanced high-rate activated sludge，CE-HRAS）工艺，PFS是一种因其对金属设备腐蚀性低而在污水处
本研究评估了利用聚合硫酸铁（polyferric sulfate，PFS）的化学强化高负荷活性污泥（chemically enhanced high-rate activated sludge，CE-HRAS）工艺，PFS是一种因其对金属设备腐蚀性低而在污水处理厂中日益普及的混凝剂，旨在最大化城市污水中的能源回收。研究人员在实际条件下于17–26?°C进行了使用实际污水的对比实验室规模测试。尽管溶解性化学需氧量（chemical oxygen demand，COD）去除率与高负荷活性污泥（high-rate activated sludge，HRAS）工艺相当，但PFS的投加显著提高了悬浮性和胶体性COD的去除。CE-HRAS工艺实现的有机物回收率占进水有机负荷的43–58%，是HRAS工艺的2.0至3.2倍。然而，由于厌氧消化的抑制，CE-HRAS污泥在中温期的甲烷转化率仅为HRAS污泥的0.37倍。因此，相对于进水有机负荷的甲烷回收率在HRAS和CE-HRAS工艺之间几乎相当（分别为0.11?±?0.01和0.12?±?0.00?g-COD-CH4/g-COD），这表明增强的碳捕集并不固有地转化为增加的生物甲烷产量。因此，未来的策略必须侧重于优化混凝剂投加量或开发集成式下游工艺，以减轻消化抑制并最大化能源回收。
研究背景与问题
全球污水排放和处理约占全球电力消耗的1%，且随着下水道普及率的提高，这一比例预计还将上升。减少该领域的电力消耗是应对气候变化的关键挑战之一。城市污水中的一部分有机物可以以污泥形式回收，并转化为生物甲烷作为化石燃料的替代品。然而，在传统活性污泥（conventional activated sludge，CAS）工艺中，大部分有机物被氧化为二氧化碳和水，而非以污泥形式回收，导致有机物中的化学能未被充分利用。
高负荷活性污泥（high-rate activated sludge，HRAS）工艺，也称为A段，通过将污泥停留时间（solids retention time，SRT）控制在两天以内来抑制氧化作用，从而增强有机物回收。为进一步提高有机物回收率，化学强化HRAS（chemically enhanced HRAS，CE-HRAS）工艺通过在HRAS反应池中添加铁基混凝剂展现出潜力。尽管氯化铁已被广泛用于CE-HRAS工艺，但聚合硫酸铁（polyferric sulfate，PFS）因其对金属设备腐蚀性低、絮凝效率高等优势，近年来在污水处理厂中得到快速推广。然而，此前关于CE-HRAS工艺的研究多使用氯化铁，尚未有研究将PFS应用于此场景。此外，虽然已有研究报道PFS在污泥浓缩脱水过程中会抑制厌氧消化，但PFS整合到CE-HRAS工艺后对厌氧消化的整体影响尚不清楚。因此，本研究的创新点在于：（1）首次将PFS应用于包含厌氧消化的CE-HRAS工艺；（2）在实验室规模下使用实际污水并在自然季节变化条件下进行评估；（3）定量展示了整体的碳平衡。研究目标是为未来在现有全规模污水处理厂中制定提高有机物回收率的策略提供第一步依据。
主要技术方法
研究人员在一个处理量约10万m3/d的全规模市政污水处理厂内搭建了中试装置，包括一个54?L的反应池、鼓风机以及进水泵、出水泵、排泥泵和PFS投加泵。实验用污水来自该厂沉砂池出水经实验性初沉池处理后的出水。中试装置采用序批式反应器（sequencing batch reactor，SBR）构型运行，循环周期为2小时，包含60分钟曝气阶段和60分钟沉淀阶段。HRAS工艺不投加PFS，而CE-HRAS工艺则在曝气阶段最后5分钟向进水中投加相当于33?mg-Fe/L的PFS。水力停留时间为4小时，体积交换率为50%。整个运行期分为六个时段，两个工艺在不同温度条件（高温、中温、低温）下顺序运行，水温未受机械控制，随自然变化。每个工艺均在三个对应温度水平下进行评估。样品采集在每个运行条件改变后，经过至少三倍SRT的污泥驯化期，再在两周测试期内以至少两天间隔进行三次采样。对进出水及剩余污泥的各项水质指标进行分析。生物甲烷产量测试采用自动甲烷潜力测试系统（AMPTS2），在35?°C下进行28天批次试验，底物选用中温期产生的剩余污泥，接种物来自全规模污水处理厂的厌氧消化污泥，接种物与底物比（ISR）设为5。通过一阶反应模型拟合甲烷产量数据以获得最大甲烷产量和水解系数。
研究结果
3.1 进水水质与运行条件
进水水温范围为19?°C至26?°C，反应池水温范围为17?°C至26?°C。尽管CE-HRAS工艺与HRAS工艺水力运行条件相同，但由于PFS投加降低了出水总悬浮固体（total suspended solids，TSS）并增加了反应池TSS，其SRT更高。两种系统的SRT均维持在目标高负荷范围内（小于2天）。HRAS工艺的平均污泥容积指数（sludge volume index，SVI）为69–297，CE-HRAS工艺为143–162。
3.2 各时段HRAS和CE-HRAS工艺的COD去除效率
HRAS工艺主要通过生物絮凝吸附进水颗粒态有机物并以剩余污泥形式回收，其颗粒态COD（particulate COD，pCOD）去除率为57–71%。CE-HRAS工艺则持续实现85%以上的pCOD去除率，显著高于HRAS工艺。对于胶体态COD（colloidal COD，cCOD），HRAS工艺去除率仅为26–41%，而CE-HRAS工艺达到72–80%，这归因于PFS的电荷中和、吸附和架桥作用。两种工艺的溶解性COD（soluble COD，sCOD）去除率均为45–64%，无显著差异。水温变化对两种工艺各COD组分的去除率均未产生显著影响。CE-HRAS工艺的总COD（total COD，tCOD）去除率显著高于HRAS工艺，且出水tCOD浓度低于60?mg/L，可能无需进一步处理即可达标。
3.3 HRAS和CE-HRAS工艺的碳回收率
HRAS工艺的平均碳回收率（carbon recovery rate，CRR）为18–22%，而CE-HRAS工艺达到43–58%，是HRAS工艺的2.0至3.2倍。多重比较表明，CE-HRAS工艺的CRR显著高于HRAS工艺，证实混凝剂投加在增强有机物回收中起主导作用。在CE-HRAS工艺内部，时段5和6的CRR显著高于时段4，这可能与时段4的氧化比例较高有关。
3.4 HRAS和CE-HRAS工艺的碳转向率和碳收获率
HRAS工艺的碳转向率占进水pCOD/tCOD比例的66–83%，而CE-HRAS工艺达到92–119%，表明后者通过强化混凝、吸收和吸附将非颗粒态有机物转化为污泥，其速率超过了水解损失。CE-HRAS工艺的碳收获率远高于HRAS工艺，表明污泥沉降性能得到改善。CE-HRAS工艺更高的有机物回收率源于通过混凝对非悬浮态有机物的优越转向能力和增强的污泥沉降性。
3.5 生物甲烷产量
3.5.1 生物甲烷产量测试验证
所有测试结束时pH值均高于6.8，碱度处于2000–3500?mg-CaCO?/L范围内，微晶纤维素阳性对照的甲烷产量为345?NmL-CH?/g-VS，落在标准范围内，确认厌氧消化正常进行。
3.5.2 两种工艺剩余污泥的甲烷产量
HRAS和CE-HRAS污泥的最大甲烷产量估计值分别为332?±?2和123?±?6?NmL-CH?/g-VSadded。CE-HRAS污泥的水解系数远低于HRAS污泥。CE-HRAS污泥的最大甲烷产量仅为HRAS污泥的0.37倍，表明PFS抑制了厌氧消化。这种抑制主要归因于PFS水解形成的多核和多链羟基聚合物以及高密度絮体物理包裹有机物和微生物，形成物理屏障限制水解酶接触底物并增加传质阻力，这由CE-HRAS污泥VS/TS比值从0.84急剧下降至0.59以及水解速率常数从0.36骤降至0.062?1/d所支持。基于COD的甲烷转化率，HRAS和CE-HRAS工艺在中温期的甲烷回收率（methane recovery rate，MRR）分别为0.11?±?0.01和0.12?±?0.00?g-CODCH4/g-COD，无显著差异，表明CRR的增加并未必然带来MRR的提升。
总结与结论
讨论部分指出，尽管CE-HRAS工艺通过PFS显著提升了有机物回收率，但PFS引入的硫酸根离子可能激活硫酸盐还原菌，产生的硫化物可能毒害产甲烷菌，更重要的是，PFS形成的致密无机骨架物理包裹有机物，严重限制了水解过程，导致甲烷产量大幅降低。因此，单一阶段的固定剂量PFS投加无法实现能量回收的最大化。
研究结论翻译如下：
为了在未来污水处理中最大化能源回收，本研究运行了一种投加PFS的CE-HRAS工艺。该工艺在水温17–26?°C的实际环境条件下，使用处理实际城市污水的实验室规模SBR进行了评估。与HRAS工艺相比，CE-HRAS工艺（33?mg-Fe/L）无论季节变化如何，都能一致且有效地促进颗粒和胶体有机物的絮凝和沉淀，捕获原本会进入出水的有机物，显著提高了CRR。然而，由于无机组分积累形成坚固絮体，物理抑制了消化，所产生污泥的甲烷转化率显著下降。因此，总体MRR并未显著提高，这表明仅通过单一处理阶段投加固定剂量的PFS来最大化能源回收存在局限性。实现污水处理中的能源自给自足不仅需要浓缩和回收有机物，还需要控制化学药剂投加以维持回收污泥的生物可降解性，并设计新的集成工艺。
