热碱预处理及铁碳联合技术强化剩余污泥厌氧消化的研究

作     者：杜凌峰 

作者单位：南京大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘波

授予年度：2019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：剩余污泥 厌氧消化 热碱预处理 铁碳联合 微生物群落结构 

摘      要：随着社会对污水处理的投入越来越大,剩余污泥的产量也日益升高,剩余污泥的处置已经成为世界各国的难题之一。在众多的污泥处理技术当中,厌氧消化技术由于具有能耗少、运行费用低、实现能源回收等优点被广泛使用。然而,能源转化率较低、减量化效果不理想等问题限制了厌氧消化技术的进一步发展。研究表明,一些预处理手段和外源物质的添加能够提高厌氧消化的能源转化率。但目前这些研究主要集中于单因素研究,并且对厌氧消化的促进效果有限。为了达到更好的厌氧消化效果,本研究将热碱预处理技术与铁碳联合添加技术相结合,进行强化厌氧消化技术的实验研究。实验通过设置不同温度与pH的组合对污泥进行预处理,基于水质和污泥指标评判污泥的破解情况,探究温度与pH对于污泥破解的最适组合;在此基础之上,通过添加铁和碳来探究外源物联合添加对于污泥厌氧消化的强化作用,同时结合生物学手段,如高通量测序(Mi-seq),对厌氧消化后污泥的微生物群落结构等进行解析,揭示强化作用中的微生物作用机制,阐述铁碳联合添加对厌氧消化的强化作用机理;最后通过改变剩余污泥的含固率来探究联合技术的适用性,为剩余污泥的资源化和减量化提供新的思路。本文最终得出以下结论:(1)热碱预处理后的SCOD随着温度和pH的升高而增大,B3(70℃、pH为 12)、C2(90℃、pH 为 1 1)和 C3(90℃、pH 为 12)实验组 SCOD 溶出率最高,分别为51.79%,53.87%和51.29%。预处理温度和pH的升高有利于剩余污泥中蛋白和多糖的溶出,溶出量最大的同样是这三组,溶解性蛋白和溶解性多糖含量分别为 3704.5 mg/L 和 1379.5 mg/L、3557.1 mg/L 和 1438.2 mg/L、3647.8 mg/L和1456.2 mg/L。并且本实验中所选pH对于蛋白和多糖的溶出影响大于温度的影响。从剩余污泥减量化角度看,VSS去除率随温度和pH的升高而提高。厌氧消化结果显示,累积甲烷产量最高的实验组为B3、C2、C3,相较于对照组的累积甲烷产量分别增加了 64.1%、71.3%、78.2%。从资源化程度和经济角度来说,预处理温度为70℃,pH为12的条件为最适组合。(2)利用最适组合对剩余污泥进行预处理,之后进行铁碳联合添加强化水解酸化和厌氧消化实验。水解酸化结果表明,SCOD的降解率最高的是P2(Fe为 10 g/L、GAC 为 40 g/L)和 P4(Fe 为 20 g/L、GAC 为 40 g/L),分别为 23.3%和24.1%。乙酸含量最大的组也为P2和P4,含量分别为2392.7 mg/L和2529.2 mg/L,占VFAs比例分别为49.7%和50.4%。铁碳的联合添加比单独的铁、碳添加更有效的促进了剩余污泥的水解酸化过程,而且,虽然铁的加入量减少,但碳的加入使得促进效果增强。另外,单独加入碳不会对水解酸化有明显的促进作用。厌氧消化结果表明,铁碳联合添加能够强化产甲烷过程,P2累积甲烷产量最高,达到258.7ml/g-VSS,比对照组提高了 35.0%。同时,产甲烷完成时间比其他实验组提前,甲烷含量也最高,达到了 61.4%,比对照组提高了 9.7%。二氧化碳方面,累积产量最低的是实验组P2和P4,产量分别为148.6ml/g-VSS和141.3ml/g-VSS,在总产气中的含量分别为35.8%和33.5%。这些结果说明铁碳的联合添加对于厌氧消化产甲烷具有明显的促进作用,并且铁、碳添加量为10g/L和40g/L的促进效果最好。铁碳联合添加强化了铁的作用,增加了铁的溶出,P2铁离子溶出量大于P3,说明碳的联合添加有助于节约铁的用量。VSS减量效果最好的是P2和P4组,去除率分别达到了 54.7%和56.3%。微生物分析表明铁碳联合通过促进水解酸化向着乙酸方向进行,提高乙酸产量,促进了微生物中甲烷鬃毛菌(Methanosaeta)的生长,铁碳联合实验组P2和P4的甲烷鬃毛菌(Methanosaeta)的丰度分别为43.6%和52.2%。另外铁碳联合进一步发挥铁的作用,富集了耗氢产甲烷菌的丰度。(3)热碱预处理阶段的实验结果表明,含固率的适当提高有助于剩余污泥预处理中SCOD、蛋白和多糖等的溶出。6%的含固率污泥破解效果最好,其SCOD的溶出量为23257.6 mg/L,增长倍数最高,为28.6倍,蛋白和多糖的溶出增长倍数分别为26.9和30.5倍,含量之和占SCOD的比例最高,为69.1%。厌氧消化产气结果表明,含固率为6%的实验组累积甲烷产量最高,为301.1 ml/g-VSS,甲烷含量也最高,为57.7%。数据显示,含固率为6%是累积产甲烷的一个临界点,当低于这个含固率时,累积甲烷产量会随着含固率的升高有所增加,而当进一步提高含固率时,累积甲烷产量减少。从完成时间上来看,含固