负载高铁酸钾对剩余污泥厌氧发酵产酸的影响及作用机制

作     者：滕亚杰 

作者单位：河北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王洪杰

授予年度：2022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）] 081703[工学-生物化工] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0836[工学-生物工程] 082203[工学-发酵工程] 0822[工学-轻工技术与工程] 

主      题：剩余污泥 厌氧发酵 负载高铁酸钾 产酸机制 

摘      要：剩余污泥作为污水处理的副产物,含有大量的有机质和病原菌,若处置不当将对环境和人类健康带来巨大的威胁。污泥厌氧发酵产酸是污泥资源化处理的重要途径之一,能够同时实现污泥稳定化与减量化。本研究通过利用高铁酸钾耦合改性钢渣,考察其对污泥发酵产酸性能的影响,通过分析污泥溶解、水解、酸化及甲烷化等生物阶段转化速率,并结合微生物群落结构变化,深入揭示负载高铁酸钾促进污泥发酵产酸的作用机制。主要研究成果如下:(1)通过扫描电镜、X-射线光电子能谱以及X-射线衍射分析,证实高铁酸钾负载在改性钢渣表面,形成一种负载型高铁酸钾。随后,通过污泥发酵批次实验,发现高铁酸钾和负载高铁酸钾均能够显著促进发酵污泥短链脂肪酸(Short chain fatty acids,SCFAs)的产生。但是,0.1 g/g TSS负载高铁酸钾投加效果最佳,其累积产酸量最高为3160.8±8.9 mg/L,是空白组的5.1倍。同时负载高铁酸钾改变了污泥短链脂肪酸组分,将乙酸比例从空白反应器的47±1.8%提高至69±2.6%,与空白反应器相比,乙酸产量最大提高了1507.9±45.2 mg/L。结果表明,负载高铁酸钾明显改善了发酵污泥产酸的性能。(2)研究机理表明负载高铁酸钾促进污泥细胞裂解和有机物的释放,经过0.1 g/g TSS负载高铁酸钾预处理3 d后污泥发酵液中COD、蛋白质和多糖的浓度分别为1843.5±55.3 mg/L、199.6±6 mg/L和39.6±1.2 mg/L,是空白反应器的5.4、3.8和2.1倍,溶解性细胞副产物与类酪氨酸物质的释放增强,为SCFAs的生产提供更多可利用底物。通过模拟配水实验发现,负载高铁酸钾使发酵污泥在甲烷化过程中乙酸的降解率由空白组的25.2±0.8%降低至17.5±0.67%,甲烷产量降低。负载高铁酸钾虽然未影响污泥发酵的水解和酸化进程,但抑制污泥甲烷化,从而导致SCFAs的积累。(3)通过微生物群落研究发现,厚壁菌门(Firmicutes)、变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroides)、绿弯菌门(Chloroflexi)和放线菌门(Actinobacteria)约占污泥发酵系统中微生物群落的80%。经过负载高铁酸钾预处理后,污泥系统中有利于有机物溶解的Bacteroides和Petrimonas相对丰度比空白反应器分别提高了47.8%和9.87%,并且以Firmicutes、Clostridia为代表的主要产酸菌的丰富度也提高了45.89%和45.47%。同时,污泥发酵过程中SCFAs的主要消耗者Anaerolineae和Gammaproteobacteria在负载高铁酸钾预处理下被抑制,相对丰度仅为2.13%和6.43%,比空白反应器分别降低了7.44%和14.22%。