污泥干式厌氧发酵过程中腐殖酸的转化规律及其对产甲烷的影响

发布时间：2020-08-01 07:59

【摘要】：污泥干式厌氧发酵技术是当前污泥处理处置的有效技术之一,沼气产率、甲烷含量、发酵周期和有机质利用率是衡量干式厌氧发酵效果的重要指标。腐殖酸(Humic acid,简称HA)是污泥中有机物的主要组成部分,其结构中含有大量的羧基、羰基、羟基、酮基和醌基等官能团,具有复杂的氧化还原特性,对污泥发酵过程的甲烷产生具有一定的影响。本研究对HA影响污泥干式发酵产甲烷过程的机理进行探讨,采用市政污泥为发酵底物,开展不同HA含量的干式厌氧发酵实验,利用气相色谱、三维荧光光谱和傅里叶变换红外光谱等技术,分别检测沼气的甲烷含量、发酵液的挥发性脂肪酸(VFA)浓度,并表征HA的化学结构。分析了HA在发酵过程中的结构转化规律,研究了HA对污泥干式厌氧发酵产酸产甲烷过程的影响,为提升污泥干式厌氧发酵处理技术提供理论基础。主要的研究结果如下:(1)添加HA对污泥干式厌氧发酵甲烷产量总体呈现抑制作用,当HA含量为10%时,较空白组的累计甲烷产量略上升,但当HA含量为20%时,累计甲烷产量显著下降;利用Pearson相关性分析表明,添加HA在发酵初期与发酵末期对干式厌氧发酵产气的抑制程度较高,在发酵中期对产气量具有一定的促进作用;Gompertz方程拟合累计甲烷产量结果表明,当HA含量为10%,最大产甲烷速率有所提高;当HA含量为5%和10%时,提高了厌氧发酵的甲烷日产量峰值,但HA含量提高至15%和20%时,甲烷日产量峰值转为下降。(2)污泥与餐厨垃圾的混合物料中HA含量占溶解性有机质的含量比例约为1%-10%,类胡敏酸为干式厌氧发酵过程中的主要有机组分,类胡敏酸可以由木质素降解与微生物代谢产物产生,同时类富里酸与类胡敏酸相互转化;HA在干式厌氧发酵过程中化学结构特征变化主要为芳香族碳含量上升,脂肪族碳、羧基和羟基碳含量相对减少,HA结构的聚合度提高,在发酵后期,HA的芳构化程度明显增加,并且发酵过程中含氮化合物被降解,产生了酚、酯、醇以及多糖类化合物等。(3)HA对污泥干式厌氧发酵的产酸反应具有促进作用,添加HA后提高了发酵系统内的VFA浓度;乙酸为主要的发酵酸化产物,由于丙酸、丁酸和戊酸在产乙酸菌的作用下可被将降解为乙酸,促使乙酸浓度升高;利用Pearson相关性分析结果表明,HA主要在发酵前期对水解产酸起促进作用,在发酵后期对VFA产生呈抑制作用;HA对发酵系统内VFA浓度的影响变化与其对甲烷产生量的影响变化分析的规律相似,HA通过VFA产甲烷途径影响干式厌氧发酵的甲烷产量。
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X703
【图文】：

年产量,污泥

图 1-1 2010 -2018 年我国污泥年产量Fig.1-1 Annual production of sludge in China from 2010 to 2018泥的特点及危害处理产生的污泥主要包括初沉污泥、活性污泥和厌氧消化污泥等，污的沉淀物质，其成分十分复杂，包括泥砂、纤维等固体颗粒，各种胶的金属元素、微生物等[7]。污泥的形态是一种介于液体和固体之间的性较差，污泥颗粒的粒径大小为 0.02-0.2 mm，比表面积为 20-100 cm 95%-99%[8]。污泥是由 65%的有机物和 35%的无机物构成的复杂絮主要包括蛋白质、脂肪和多糖等有机化合物，以及 N、P、K、Ca 等机物，同时含有重金属、病原菌和持久性有机物等[9]。安全处理的污泥随意排放，将污染生态环境与人类健康，主要表现在11]：（1）污泥脱水后含水率仍然较高（一般为 78%-82%），易造成堆放

示意图,厌氧发酵,干式,示意图

图 1-2 干式厌氧发酵三阶段理论示意图.1-2 Schematic diagram of three-stage theory of dry anaerobic fermen厌氧发酵产甲烷的影响因素固体废弃物的厌氧发酵过程影响因素比较复杂，通常受作用的影响。当发酵条件相对稳定时，产气效果较好，问题时，整个发酵过程的产气量、甲烷含量等指标就会能导致发酵失败。因此，工艺条件的控制对厌氧发酵过目前主要研究的干式厌氧发酵过程影响因素包括：温度种物和抑制因素等。在干式厌氧发酵过程中温度是调控发酵菌群、强化产气技术可分为常温发酵（室温）、中温发酵（30 ℃-38 ℃

结构示意图

条件下都能溶于水；（3）胡敏素（Humin，简称 HM），溶于稀碱，不溶于水和酸。HA 结构复杂，没有固定的化学式，杨天学等研究了 HA 大分子的结构模型[65]，如图 1-3 所示。HA 因结构中含有酚羟基、羧基、醇羟基、烯醇基、磺酸基、取代氨基、醌基、羰基、甲氧基等多种基团，具有亲水性、离子交换性、热稳定性、吸附性和络合性等化学性质，HA 的多种理化性质是由其结构的复杂性和官能团所致[66]。决定 HA 化学性质的主要是其分子上含有的如羧基、羟基以及脂肪烃、含氮化合物和烷烃结合的芳香基团等官能团。HA 具有较高的反应活性，易于环境中的氧化物、金属离子、氢氧化物、矿物质、有机质以及毒性污染物发生相互作用[67, 68]。1）HA 可与水中离子进行交换或与金属离子发生络合反应，增强其生物毒性；2）HA 可以与消毒剂反应生成具有“三致效应”的卤乙酸、三氯甲烷等消毒副产物；3）HA 会导致水体色度、异臭味，并腐蚀配水管道等；4）环境中 HA 含量与大骨节病相关；5）水体 HA 受酸雨影响后，氧含量和酚、醛酸性增强，对浮游植物和鱼类产生影响。

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