剩余污泥与零价铁强化水葫芦厌氧消化研究

发布时间：2020-10-15 00:45

　　 利用水葫芦厌氧消化产沼气实现其能源化利用是近年来的研究热点。在厌氧消化实际应用中,采用较高的有机负荷可提高设备利用率,节约成本,但是,在超过一定负荷后,水葫芦的厌氧消化系统会发生有机酸积累,从而抑制产甲烷过程。因此,有效缓解高有机负荷下的有机酸积累,对促进水葫芦厌氧消化具有重要意义。本文分别研究了单独添加剩余污泥(系列1)、单独添加金属零价铁(系列2)以及两者同时添加(系列3)对水葫芦厌氧消化的影响。系列1实验设置了5种剩余污泥和水葫芦比例(4:0、3:1、2:2、1:3和0:4),探讨了不同混合比例对水葫芦厌氧消化的影响,利用高通量测序技术分析了添加剩余污泥对水葫芦厌氧消化系统内微生物菌群的变化。系列2实验设置了4组不同零价铁投加量(0,0.12,0.36,0.6 g/g-VSS),探讨了添加零价铁对于水解酸化和产甲烷的影响,分析了引入零价铁对水葫芦厌氧消化系统内微生物的影响。系列3实验基于系列1得出的最优剩余污泥添加比例,设置了4组不同零价铁投加量(0,0.12,0.36,0.6 g/g-VSS),研究了零价铁对水葫芦与剩余污泥混合厌氧消化的影响,利用焦磷酸高通量测序手段分析了相应的厌氧消化系统内微生物的变化。得出的主要研究结果如下:(1)系列1实验结果表明:与水葫芦单独厌氧消化相比,剩余污泥和水葫芦混合比例为1:3时,甲烷累积产量最大,提高67.7%;3:1混合条件下协同效应最明显,甲烷产量实际值比理论值提高23.4%。微生物分析表明,剩余污泥的加入可以增加消化体系中微生物菌落多样性,使微生物优势菌群发生改变,细菌sytrophonomous属与古菌甲烷囊菌属(Methanoculleus)形成互养代谢,从而提高水葫芦的消化性能。(2)系列2实验结果表明:本实验零价铁最佳投加量为0.36 g/g-VSS,添加零价铁促进了水解酸化过程,甲烷累积产量较对照组提高了36.8%,总固体(TSS)去除率由22.18%提高到25%、挥发性固体(VSS)去除率由27.34%提高到31.65%。厌氧消化系统内氢分压有所降低,产酸菌以及具有产甲烷功能的螺旋菌属(sphaerochaeta)及甲烷鬃菌属(Methanosaeta)的相对丰度均得到了增加。(3)系列3实验结果表明:零价铁的加入对水解酸化没有明显促进作用,但可促进产甲烷。在最佳投加量0.12 g/g-VSS下,其累积甲烷产量比对照组提高了19.6%,总固体(TSS)去除率由15.35%提高到17.34%、挥发性固体(VSS)去除率由23.83%提高到25.49%。零价铁的加入提高了螺旋菌属(sphaerochaeta)及甲烷八叠球菌属(Methansarcina)的相对丰度。综上,剩余污泥和水葫芦混合厌氧消化可通过平衡原料营养、丰富微生物多样性,缓解系统酸化;加入零价铁可促进水解酸化,同时通过降低氧化还原电位及系统氢分压促进丙酸分解。加入剩余污泥和投加金属零价铁是促进水葫芦厌氧消化的有效方式。
【学位单位】：四川农业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：X703
【部分图文】：

图 1.1 厌氧消化过程Fig.1.1 The progress of anaerobic digestion（1）水解酸化阶段将复杂有机物转化为简单溶解性有机分子的过程即为水解，在此阶段起作用的为细菌，主要有蛋白质水解菌、纤维素分解菌等。包括蛋白质、纤维素及脂质的水程，由于物质细胞壁难以破裂，水解的速度通常较缓慢，为厌氧消化过程的限速。经水解产生的溶解性可溶性有机物被分解转化为挥发性脂肪酸(VFA)的过程即化。本阶段由数量庞大的产酸菌完成，为大部分严格厌氧及极少量的兼性厌氧菌。厌氧消化条件下（如温度、底物种类、pH 和微生物种群等），产物有所不同。其主要包括：能直接被产甲烷菌利用的物质（甲酸、乙酸、甲醇等）、不能直接被烷菌利用的有机酸或醇类（丙酸、丁酸、戊酸、乙醇等）、二氧化碳及硫化氢等。酸的分解遵循 Stickland 反应，由于分解产生的 NH，会影响体系的 pH 值[27]。在

图 3.1 水葫芦与剩余污泥不同混合比例厌氧消化过程中 NH4+浓度变化Fig.3.1 Changes of NH4+concentration during anaerobic digestion of water hyaciand waste activated sludge at different ratios 3.2 图可知，随着厌氧消化过程的进行，VFAs 整体上变化趋势一致，呈先降的趋势。VFAs 浓度在第 4~6 d 达到最高峰，四组（4:0，3:1，2:2，1:3，0 8664 mg/L、6790 mg/L、6241 mg/L、6251 mg/L、5095 mg/L（以 COD 计表现为底物含水葫芦比例越高，VFAs 浓度越高，只含剩余污泥的浓度最低葫芦与剩余污泥的组成成分有关，水葫芦含丰富的纤维素木质纤维素，且本粉碎成小粒径，会迅速水解酸化产生大量的 VFAs。高浓度 VFAs 对微生物用，尤其是对产甲烷微生物，纤维素类物质进行厌氧消化时，当 VFAs 达 6气量有明显抑制作用[74, 75]。且只含水葫芦这组在反应后期表现出明显的丙酸，丙酸是厌氧消化过程中一种不易于被产甲烷菌利用而破坏厌氧系统运行的，这是因为丙酸在热力学上很难被降解为乙酸，但在低氢分压下能够顺利降

造成丙酸大量积累。而在同样 TSS 浓度下，剩余污泥的加入，释放大量氨氮，中和部分酸，缓解了丙酸的积累，提高了反应的稳定性及产甲烷能力。另外，本实验引种污泥接种量偏低（13%）也是水葫芦厌氧消化出错出现酸化的原因之一，而剩余污泥本身含有丰富的微生物，对酸化过程起到一定缓冲作用[39]。
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本文编号：2841437