利用氢氧化钙调控剩余污泥碱性发酵实现LDHs高效提取SCFAs

发布时间：2020-08-03 15:20

【摘要】：传统的生物反硝化法被认为是最为经济有效且常用的脱氮方法,在这个过程中,充足有效的有机碳源是至关重要的。在实际工程中,为了保证完全反硝化的顺利进行,一般要求COD/TN在4~15。但是,随着居民生活水平的提高,城市污水中COD/TN越来越低,污水中的有机碳含量难以满足反硝化细菌对碳源的需求,生物反硝化过程因此受到抑制。为了提高低碳比废水的生物脱氮效率,开发一种低成本、高效率的碳源,既能提高生物脱氮效率,又能提高碳源的利用效率。剩余污泥发酵液中含有高浓度的短链脂肪酸(SCFAs),这些有机酸在污水生物脱氮过程中可以直接被用作有机碳源。但发酵液富含高浓度的氨氮、重金属等,如果直接投加发酵液作为反硝化碳源可能会导致反应器氮负荷的增加、出水的二次污染及碳源利用效率低。为了有效利用发酵液中的SCFAs,课题组前期将SCFAs作为目标阴离子,在模拟体系成功地合成了SCFAs-LDH,并成功的用作反硝化的固体缓释碳源。而实际发酵液体系含有大量的CO_3~(2-)和PO_4~(3-),会影响LDHs对发酵液中SCFAs的提取效率。结合课题组前期的实验结果,本课题首次提出利用Ca(OH)_2作为剩余污泥碱性发酵的调碱剂,在提高SCFAs的同时,去除发酵液所释放的CO_3~(2-)和PO_4~(3-),提高SCFAs的提取效率。通过不同的碱发酵,对比了Ca(OH)_2和NaOH水解产酸效果、CO_3~(2-)和PO_4~(3-)去除效果及发酵液中SCFAs的提取效率;针对Ca(OH)_2发酵液中SCFAs的提取效率,对不同的LDHs的合成方法及合成条件进行了研究,分析了不同方法及不同条件下发酵液中SCFAs的提取效率。主要研究结果和讨论如下:(1)通过使用Ca(OH)_2和NaOH作为剩余污泥碱性厌氧发酵的调碱剂,研究了在pH为10的碱性厌氧条件下,SCOD和SCFAs的溶出情况。结果表明SCOD的溶出量分别是对照组的3.4和4.5倍,Ca(OH)_2和NaOH发酵液中总的SCFAs浓度均要高于对照组,主要成分均为乙酸,分别占了总酸的66.1%和65.8%。(2)通过剩余污泥碱性厌氧发酵,研究了不同碱在pH为10的碱性厌氧条件下,CO_3~(2-)和PO_4~(3-)的释放情况。结果表明Ca(OH)_2发酵组的PO_4~(3-)释放量很低,最大为7.56 mg P/L,NaOH发酵组最大的PO_4~(3-)释放量为250.8 mg P/L。通过计算,Ca(OH)_2发酵组的CO_3~(2-)释放量可以忽略不计,且Ca(OH)_2发酵后的污泥残渣主要以CaCO_3为主,NaOH以SiO_2晶体为主。研究结果说明利用Ca(OH)_2作为调碱剂确实可以去除掉大量的CO_3~(2-)和PO_4~(3-)。(3)通过LDH提取Ca(OH)_2和NaOH发酵液中的SCFAs,对比了不同发酵液中SCFAs的提取效果。结果表明只有Ca(OH)_2发酵液成功合成了CaAl-LDH,且对SCFAs提取量及提取率最高,分别达到了17.38 mg COD/g和4.1%。(4)通过两次共沉淀的方法来提取实际Ca(OH)_2发酵液中的SCFAs,研究了两次共沉淀法对发酵液中SCFAs的提取率。结果表明,SCFAs-LDH1单位质量的COD浓度较高,为157.8 mg/g,对COD和SCFAs的提取率分别为3.5%和0.5%;SCFAs-LDH2单位质量的COD浓度较SCFAs-LDH1低,仅为44.5 mg/g,提取率为4.1%,SCFAs的提取率为2.5%;两次共沉淀法对SCFAs总的提取率为3.0%,对总的COD的提取率达到7.6%。(5)通过离子交换法提取Ca(OH)_2发酵液中的SCFAs,研究了不同温度和pH下的提取效果。结果发现,不同温度下,LDHs载碳量随温度的增加而增加,并在温度为80 ~oC时,COD和载碳量都达到最大值;不同pH条件下,LDHs载碳量和COD均远低于不调pH时LDHs中的含量,且SCFAs的插层率随pH的增加而降低,与不改变pH相比,插层率降低了一半。
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X703
【图文】：

论文拟采取的技术路线

图 2-1 碱性厌氧发酵装置示意图Fig. 2-1 Schematic diagram of alkaline anaerobic fermentation实验过程中，每天取一次样，每次取 200 mL，第 7 d 停止反应器。将部分发酵污泥在 10000 rpm 转速下高速离心 10 min，然后用 0.45 μm 的膜对离心后的上清液进行抽滤，测定厌氧发酵液中的 SCOD、SCFAs、NH4+-N、PO43-、碱度，剩余样品放在 4oC 冰箱保存。另一部分污泥需要用于 TSS、VSS、TP 及Ca-P 的测定。2.2.2 原位 LDHs 提取发酵液中的 SCFAs本实验采用共沉淀的合成方法，用 LDHs 来提取实际碱性厌氧发酵液中的SCFAs。鉴于课题组在前期探究了模拟厌氧发酵液体系调控合成 SCFAs-LDH最佳电荷密度为 M2+/M3+=2，合成的 SCFAs-LDH 载碳量最高，故本实验中均采用 M2+/M3+=2 进行合成。

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本文编号：2779815