AnMBR强化剩余污泥和厨余共消化的效能与机理研究

作     者：程东兴 

作者单位：西安建筑科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：胡以松

授予年度：2023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：有机负荷 厌氧膜生物反应器 厌氧共消化 膜污染 剩余污泥 厨余 

摘      要：剩余污泥和厨余的单基质厌氧消化分别存在技术瓶颈问题,例如剩余污泥因碳源不足、细胞裂解困难、抑制物质浓度高等问题导致单基质厌氧消化效率低,甲烷产率低,而厨余由于糖类物质易酸化、氮源不足、脂类含量高等问题,使得高负荷下单基质厌氧消化系统易出现酸积累、运行不稳定。多基质厌氧共消化具有调节碳氮比、增加微生物群落多样性、稀释抑制物质浓度等优势,可解决单基质厌氧消化的不足,提高产甲烷量,是目前处理厨余与剩余污泥行之有效的方法,但是厌氧共消化的协同作用机制仍需进一步探究。因此,本文开展批次实验,利用动力学模型揭示剩余污泥和厨余厌氧共消化产甲烷的促进机制,构建了高固体厌氧膜生物反应器(AnMBR)工艺,基于工艺试验探究了有机负荷(OLR)对AnMBR处理剩余污泥和厨余效能的影响,主要结论如下:(1)开展批次生化产甲烷潜力(BMP)实验,结合产甲烷动力学模型考察了基质比对产甲烷性能的影响。结果表明,当剩余污泥(Se S,sewage sludge):厨余(FW,food waste)的配比为0.5:0.5(以VS计)时,累积甲烷产量为208.4m L/g VS,分别是Se S和FW单基质厌氧消化的4.65、2.57倍,但是当FW比例高于40%时,甲烷产量并没有进一步提高。此基质比条件下的最大产甲烷速率(R)为39.5 m L/g VS/d,相对于Se S和FW单基质厌氧消化分别提高了7.1倍和3.2倍。此外,产甲烷延滞期(λ)为0.18 d,在各个比例中是最低的。通过产甲烷动力学分析认为最佳基质比为0.5:0.5,添加适量的厨余促进了剩余污泥的厌氧消化过程。(2)构建了高固体AnMBR工艺,开展工艺实验考察了OLR(1、2、4、8、11g COD/L/d)对工艺性能的影响。结果表明,随着OLR从1到11 g COD/L/d,产甲烷速率从300增加至2563 m LCH/L/d,甲烷产率也随之变化,平均值为263.1～301.5 m LCH/g COD,发现OLR为4 g COD/L/d时的甲烷产率最高,为301.5 m LCH/g COD;随着OLR的增加,厌氧消化四阶段的有机物转化率均先升高后降低,在中等OLR时(4 g COD/L/d),转化率最高,分别为78.8%、86.6%、86.9%和86.1%;其水解率为四个阶段中最高的,因此认为该阶段产甲烷率高是因为高的水解率;在高负荷条件(OLR=11 g COD/L/d)下,系统中溶解性有机物开始累积,尤其是蛋白质类有机物,蛋白质是影响产甲烷率的主要因素;前四阶段膜污染较小(TMP≤0.3 k Pa),而在第五阶段膜污染变得显著,由慢速污染变为快速污染(TMP≥1.8 k Pa);SEM-EDX(Scanning Electron Mictoscopy-X-ray Energy Dispersive Analysis)分析表明,污染膜经过物化清洗后,膜表面变得光滑,膜孔清晰可见,C、P、Fe等污染物元素显著降低。(3)利用宏基因测序手段解析了AnMBR运行各个阶段微生物群落的演变规律。研究表明,在门水平下,随着OLR的增加,热袍菌门(Thermotogae)和拟杆菌门(Bacteroidetes)的相对丰度提升,绿弯菌门(Chloroflexi)的相对丰度降低;对于古菌,Methanosarcina的相对丰度随着OLR的升高而减少,氢营养型Methanoculleus的相对丰度逐渐增加,说明H/CO产甲烷代谢途径的贡献逐渐增加。通过分析产甲烷过程相关关键基因,结果表明基因表达在4和8 g COD/L/d下最为活跃,在11 g COD/L/d受到明显抑制。(4)基于高固体AnMBR处理剩余污泥和厨余共消化的运行结果工艺,开展了COD平衡分析与能量收支平衡分析。在所有OLR条件下,转化为CH的COD均高于70%,表明AnMBR工艺在甲烷回收方面优于传统厌氧消化技术。能量收支平衡分析表明,OLR分别为1、2、4、8和11 COD/L/d时,AnMBR工艺实现了19.4、20.6、22.5、20.9和20.3 k J/g VS能源盈余,加热(E)在能耗中所占的比例最大,其次是曝气循环(E),分别占总能耗的55.8%和25.4%。