基于沸石调控的污泥厌氧产甲烷效能及机制研究

作     者：姚兴业 

作者单位：西安建筑科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：贺张伟;唐聪聪

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：厌氧消化 剩余污泥 天然沸石 磁铁矿 微生物群落结构 

摘      要：随着我国城镇化和工业化的快速发展,污水处理厂逐年增加的污泥产量受到越来越多的关注。剩余污泥是污水处理厂的主要副产物,具有产量大和有机物含量高的特点。厌氧消化可以将污泥中的有机质转化为甲烷,其能以电能、热能等能源形式反馈回污水处理厂,符合我国“碳中和和“碳达峰目标的战略需求。然而,产甲烷效率低是限制厌氧消化技术在污泥资源化应用方面的关键限制因素。针对这一问题,通过向污泥厌氧消化系统添加无机添加剂是一种提升厌氧消化效能的有效手段。本研究选取绿色、低成本的天然沸石作为添加剂,研究其对污泥厌氧消化过程的促进效能及机制,并通过对沸石改性,以进一步提高产甲烷效能,从而为污泥厌氧产甲烷增效技术的发展提供理论基础和技术支持。本研究以西安市某污水处理厂二沉池的污泥作为研究对象。首先,探究了天然沸石投加量和粒径对污泥厌氧消化效能的影响。通过表征确定了实验用沸石是以Si-O键和Al-O键为主的片沸石。通过单因素实验,确定了天然沸石的最佳投加量为0.1 g/gVSS,最佳粒径范围为0.2～0.5 mm。在最佳投加参数下,累积产甲烷量达到了186.75±7.62 m L/g VSS,比空白组提高了22.08%。天然沸石促进了溶解性多糖和蛋白质在实验前期的下降,提高了微生物对有机质的利用度,加快了短链脂肪酸的积累和转化,故天然沸石通过改善有机质的转移与转化提高了污泥厌氧产甲烷效能。其次,以厌氧消化的各个阶段为研究对象,解析了天然沸石对剩余污泥产甲烷的促进机制。在溶解阶段,天然沸石通过自身多孔隙结构吸附了有机物;在水解阶段,沸石组的多糖和蛋白质的消耗速率均比空白组快,表明天然沸石可促进多糖和蛋白质的水解,另外,沸石组的氢气积累量为59.23±4.29 mL,比空白组提高了27.35%,进一步表明天然沸石对污泥水解阶段具有促进作用;在酸化阶段,沸石组的短链脂肪酸积累值为375±7 mg COD/L,比空白组提高了24.22%,表明天然沸石对酸化阶段也具有促进作用;在产甲烷阶段,沸石组在第20天的累积产甲烷量为222.26±3.95 m L,比空白组提高了9.3%,辅酶F的活性也比空白组提高了28%,表明天然沸石可以提高产甲烷相关酶的活性,进而提高了甲烷产量;微生物群落结构表明:沸石组富集了能够促进水解发酵的功能菌群,如Clostridium＿sensu＿stricto、Bacteroidetes＿vadin HA17、g＿＿norank＿f＿＿JG30-KF-CM45等,同时也改善了产甲烷菌的优势菌属,如Methanosarcina和Methanosaeta,强化了嗜氢和嗜乙酸的产甲烷路径。最后,为了进一步提高天然沸石对污泥厌氧消化的促进作用,本研究合成了磁铁矿改性沸石(MZ),通过扫描电子显微镜、傅里叶红外光谱仪、能量色散型X射线光谱仪、X射线衍射仪等表征,证实了磁铁矿在天然沸石表面的成功负载,且Fe的质量占比达到22.5%。相比空白组、单独沸石组、单独磁铁矿组和混合投加组,MZ组的甲烷产量分别提高了37.37%、15.4%、10.69%和22.57%,表明合成的磁铁矿改性沸石具有促进产甲烷的效能。同时,MZ组进一步加快了溶解性有机物的消耗并促使LB-EPS和TB-EPS有机物向溶解态转化,提高了微生物对有机物的生物利用率,并在随后的产酸过程中促进了短链脂肪酸的积累,达到了186±6 mg COD/g VSS。辅酶F和细胞色素C的活性分别比空白组提高了29.83%和33.24%,说明磁铁矿改性沸石有效提高了产甲烷菌的活性。对微生物群落分析,MZ组富集了Clostridium＿sensu＿stricto＿13等电活性细菌和Methanosaeta等产甲烷菌属,并且Methanosarcina是产甲烷菌的优势菌属,电活性细菌可能通过磁铁矿改性沸石与这两种产甲烷菌建立了直接种间电子传递。综上,本研究证实了天然沸石在强化污泥厌氧消化效能方面具有较好的效果。同时,通过在其表面负载磁铁矿,可以进一步提高污泥厌氧产甲烷效能。考虑到天然沸石的低成本以及环保性,其在作为外源添加剂提高污泥能源转化效率方面具有广阔的应用前景,也符合绿色、可持续的污泥处理发展需求。