基于污水碳源捕获的铁基富碳污泥厌氧产酸产甲烷研究

发布时间：2020-10-22 22:49

　　 城市生活污水蕴含着大量的有机化学能。传统的污水处理工艺是利用微生物的代谢作用将污水中的碳源物质矿化,不仅需要消耗大量曝气电能,并且不能有效回收污水中的资源与能源物质。面向未来的污水处理厂,需要在满足污水水质净化的基础上,实现对污水中的资源与能源的回收利用。本研究基于“污水碳源捕获-富碳污泥厌氧消化”的技术框架,通过污泥吸附-铁盐混凝的技术手段产生铁基富碳污泥,实现对污水中碳源的富集捕获;通过序批式厌氧实验,考察富碳污泥的厌氧产酸与产甲烷效能,并验证消化污泥中蓝铁矿的生成;通过微生物宏基因组测序,解析富碳污泥的内在产能机制。研究中考察了“污泥吸附”和“污泥吸附-铁盐混凝”两种碳源捕获技术对实际生活污水中有机质的捕获效能。结果表明:污泥的最优剂量为1500 mg/L,可吸附污水中47.9%的COD;而“污泥吸附-铁盐混凝”工艺具有更优的碳源捕获效果:在投加1500 mg/L污泥吸附及30 mg/L Fe~(3+)化学混凝的条件下,可最大捕获污水中74.2%的COD,氨氮和总磷的捕获率则分别为35.6%和90.8%;以捕获污水碳源所生成的污泥为研究对象(铁基富碳污泥),对比分析剩余污泥与铁基富碳污泥的理化性质,发现富碳污泥的有机质含量提高30%。同时发现富碳污泥由于引入了过量的Fe(III),导致污泥的EPS被Fe(III)的胶体骨架束缚,污泥粒径减小10%,表面负电荷最大降低30%,而表面位密度最大升高75%。研究中考察了铁基富碳污泥的水解产酸特性。以前期研究中投加不同剂量Fe~(3+)生成的铁基富碳污泥为实验组,剩余污泥为对照组,进行厌氧产酸发酵实验。结果表明:各组铁基富碳污泥均具有良好的水解酸化效能,其中前端投加18 mg/LFe~(3+)的富碳污泥R1具有最优的产酸效能。发酵7d时其SCOD溶出量为261.4 mg/gVS,VFAs产量为215.4 mg/gVS,分别是剩余污泥的3.00和3.02倍;机理分析认为:在厌氧发酵过程中,铁基富碳污泥中的Fe(III)迅速被还原为亚铁,由Fe(III)桥接的胶体结构迅速分解,释放大量有机质,为微生物菌群供给了充足的碳源底物,促进Firmicutes等发酵细菌大量繁殖,强化了产酸进程。研究中考察了铁基富碳污泥的厌氧产甲烷效能。以前期研究中投加不同剂量Fe~(3+)生成的铁基富碳污泥为实验组,剩余污泥为对照组,进行厌氧产甲烷实验。研究中发现:铁基富碳污泥的总产气量和甲烷产量均优于剩余污泥,其中前端投加24 mg/LFe~(3+)的富碳污泥R2具有最优的甲烷产率,为181.4 ml/gVS,是剩余污泥R0的1.94倍。但是过量的Fe(III)会降低反应器内的pH值,提高ORP值,导致对厌氧消化产生一定的抑制作用;微生物宏基因组测序的结果表明,铁基富碳污泥中水解产酸菌的丰度大幅上升,而产甲烷菌的丰度出现明显下降;对消化结束后的污泥进行晶相分析,发现实验组和对照组中均有蓝铁矿生成,且实验组中的蓝铁矿含量比例比对照组提高了约100%。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：X703
【部分图文】：

图 1-1 基于污水碳源捕获+厌氧消化的技术理念为迎接世界污水处理技术颠覆性的变革，结合我国生活污水处理现状，开展面向我国的污水资源能源回收的研究工作意义重大。《“十三五”生态环境保护规划》中提出，“具有前沿引领、颠覆创新特征”的城市污水资源与能源回收关键技术研发与系统集成创新，是我国“十三五”期间环境领域科技创新的发展方向和重点任务[10]。曲久辉院士等 6 位环境领域专家学者于 2013 年提出“面向未来的中国污水处理概念厂”，要求污水处理厂在实现水污染削减的基础上，为城市提供能源、水源及肥料[11]。因此，从污水中提取并回收资源已成为当前

去除率从 42%提升至 70%。1.3 污泥厌氧产酸与产甲烷研究现状在污水厂的生物处理步骤中，会产生占处理污水体积的 1-2%的污泥为剩余污泥与初沉污泥），这些污泥的处理与处置是亟待解决的问题。当水污泥的处理方法主要包括厌氧消化，好氧发酵，干化焚烧等。其中，氧消化处理，不仅可以实现污泥的减量化与无害化，还可以使污泥中的转化为短链脂肪酸，沼气等生物资源，具有很高的回收价值。因此，污氧消化工艺受到了广泛的关注与研究。1.3.1 污泥厌氧消化机理污泥的厌氧消化（Anaerobic Digestion，AD）是指在厌氧条件下，的大分子有机物通过溶胞水解，分解为可溶性小分子有机物，并进而被生物菌群所利用，产生 VFAs，CH4，CO2等的过程。经过前人的大量研泥厌氧消化可分为四个阶段，分别是水解，酸化，产氢产乙酸以及产甲

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文验。研究铁基富碳污泥在实验过程中消化体系 pH/ ORP 的变化趋势、污泥 SCOD溶出速率、污泥产气特性与产气组分，考察铁基富碳污泥的产甲烷效能；研究厌氧污泥的微生物群落组成，从门和纲水平上考察水解产酸细菌及产甲烷古菌的丰富度，探究铁基富碳污泥厌氧消化产能的内在机制；考察消化污泥固相的晶相组成，明确是否有蓝铁矿生成，进而解析铁基富碳污泥的磷回收潜能。1.6.2 技术路线本探究的技术路线如图 1-3 所示：
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