纳米零价铁（NZVI）对污泥厌氧消化过程的影响研究

作     者：由晓刚 

作者单位：青岛科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周骏

授予年度：2020年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 

主      题：污泥 厌氧消化 纳米零价铁 析氢腐蚀 产甲烷菌 

摘      要：厌氧消化是污水处理厂实现“碳中和的关键一步。污泥厌氧消化不仅能够解决大量污泥所造成的生态环境问题,而且可以利用污泥中的有机质生成甲烷等能源物质缓解当前紧张的能源供需矛盾。然而,传统的污泥厌氧消化过程受有机物水解反应速率慢且水解不充分、产甲烷效率低的限制,使得能源回收利用效率低。因此,如何解决污泥厌氧消化的问题,维持厌氧消化稳定,提高厌氧消化速率以及开发新型高效的污泥厌氧消化工艺是今后发展污泥厌氧消化处理技术的重中之重。基于上述考虑,本研究在常规厌氧消化内,通过引入纳米零价铁(NZVI)的方式,开展了NZVI对污泥中温厌氧消化影响及作用机理的一系列研究。主要研究结果如下:(1)通过模拟试验考察了不同浓度的NZVI和ZVI对污泥厌氧消化的强化效应。不同浓度NZVI(10、20、30 mM)的投加均对甲烷的生成起到了促进作用。30 mM NZVI组累计甲烷产量最高,相比空白组提高了37.5%。NZVI还促进了污泥的降解和增溶,污泥COD的降解率最高达到了73%,要明显高于空白组。氢气含量和VFAs的动态变化表明NZVI相比于ZVI的较快析氢速率使后期系统内氢分压更低,有利于丙酸的转化。微观分析发现,NZVI吸附在厌氧微生物胞外聚合物(EPS)上,对EPS较少的衰亡微生物产生破坏并释放出胞内物质,而活性较强的微生物由于EPS较多保护了细胞膜免受NZVI的损坏。(2)针对NZVI易絮凝寿命较短的问题,制备活性炭负载NZVI材料(AC/NZVI),探究了其在厌氧消化过程中的影响以及作用机理。在启动阶段,投加AC、NZVI和AC/NZVI组累计产甲烷量比空白组分别增加14.3%、26.3%和34.1%。AC/NZVI的加入还促进了污泥的水解和酸化,发挥了其不同组分对污泥厌氧消化的协同促进效应。添加物移除后,启动阶段形成的直接种间电子传递(DIET)路径被破坏,使得厌氧消化的进程受到影响。AC组和AC/NZVI组的累积甲烷产量分别比空白组低21.7%和13.5%。通过modified Gompertz模型拟合发现,AC、NZVI和AC/NZVI的投入增加了产甲烷潜力(P)和最大日甲烷产量(R)。此外,微生物群落结构的变化表明,AC/NZVI显著提高了氢营养型产甲烷菌的丰度。(3)通过两相厌氧消化试验,探究了NZVI对水解酸化过程和产甲烷过程的不同作用机制。在水解酸化阶段,SCOD的增量随着NZVI浓度(1～30 mM)的提高而提高,当NZVI浓度提高至50 mM时,SCOD的增量反而降低,这说明NZVI的浓度过高可能对微生物的代谢产生抑制作用。在产甲烷阶段,NZVI的最佳投加量为10 mM,相比于空白组累计甲烷产量提高了35.62%,而30和50 mM NZVI组的累计沼气产量则降低了9.35%和16.21%。在水解酸化和产甲烷阶段中,NZVI投加量与pH表现出正相关,即NZVI投加量越高,pH越高。同样,系统中NZVI的投加量越多,消耗氧化剂速率越快,因此可以使厌氧消化系统的ORP值降到更低的水平。