酶溶剩余污泥发酵产酸效能与机制研究

发布时间：2020-07-19 23:36

【摘要】：传统污水生物处理工艺将污染物以微生物有机质的形式转移赋存至剩余污泥中,以实现水体的去污染化。因此剩余污泥中富含大量有机碳源,污泥固相中有机质组分在60%以上,可回收利用潜力巨大。但当前剩余污泥的处理成本占到污水处理工艺总成本的20-50%,如何实现剩余污泥的快速处理及资源化,以实现剩余污泥处理的经济效益、社会效益和环保效益的最大化,成为当前及今后污泥处理领域的热点课题。本研究针对传统剩余污泥水解时间较长、厌氧发酵资源化效率较低等问题,开展利用生物酶对剩余污泥快速溶胞与水解研究,促进污泥固相颗粒溶解化,探究污泥酶溶胞水解效能;研究酶溶污泥厌氧发酵产挥发性脂肪酸(VFA)的效能与微生物作用机制,分析产酸影响因素对VFA积累的影响作用及其与产酸微生物群落的关系,提高酶溶污泥有机质向VFA的转化效率;通过外碳源污泥调质调整发酵底物C/N比,强化酶溶污泥发酵产VFA的效能,实现VFA的高效快速积累。为促进剩余污泥固体有机质向液相的溶解化,研究利用溶菌酶、蛋白酶、淀粉酶和纤维素酶及其复合对剩余污泥进行溶胞预水解,结果表明,四种单一酶中,溶菌酶对剩余污泥有机质的溶出效果最佳,在酶投量水平5-15%(酶投质量比,w/w)、酶溶反应240 min条件下,剩余污泥上清SCOD迅速升高至3950-5660 mg/L范围;在酶溶反应180 min内,而复合生物酶(四酶混合,质量比为1:1:1:1)在酶投量水平5-15%(w/w)时,污泥上清液溶解态COD含量从初始200 mg/L左右迅速升高至6600-9100 mg/L范围,并且高于四种单一酶对剩余污泥有机质的溶出SCOD之和,表明复合酶较单一酶对剩余污泥具有更佳的有机质溶出效果。受污泥蛋白介导的生物絮凝作用,污泥颗粒粒径增大,污泥的分布扩散系数(DSI)升高;EEM光谱显示色氨酸类蛋白物质和简单芳香族类蛋白物质是污泥颗粒酶溶后液相中存在的主要蛋白,对污泥可生物降解性能的提升有重要贡献。污泥固相微生物群落结构受酶溶作用影响明显变化,酶溶作用能够降低剩余污泥微生物的多样性,并可引起污泥固相微生物群落均匀度升高。研究了生物酶酶溶污泥的发酵产VFA的效能与微生物作用机制。研究中考察了不同发酵温度对酶溶污泥发酵产酸效能的影响,高温发酵过程中VFA的积累量高于中温和常温发酵过程,在高温发酵的第4-6天,VFA含量快速积累至3200-3500 mg/L水平,其中乙酸、丁酸含量分别达到1000-1200 mg COD/L和800-1100 mg COD/L,在混合VFA中占优势地位;分析了固体停留时间(SRT)对发酵产VFA的影响,SRT为8天时酶溶污泥厌氧发酵VFA积累量(4000-4200 mg COD/L)微高于其余SRT(11天和6天)下VFA积累量(在3500-4100 mg COD/L范围),延长停留时间没有进一步提升VFA产生量。发酵温度、固体停留时间等主要影响因素对发酵微生物群落演替有显著影响,发酵体系微生物多样性的升高、低均匀度的分布对VFA的快速积累有促进作用。pH与ORP在酶溶污泥发酵前期对发酵体系中微生物群落发挥主要影响作用,而VFA积累量成为酶溶污泥发酵后期产酸的主要制约因素,解除VFA积累可促进VFA的产生;产酸发酵体系中的优势微生物为Proteiniborus、Pelotomaculum、Gallicola、Bacteroidales、Synergistaceae、Lactobacillus、Anaerotruncus,Clostridium IV,Oscillibacter和Firmicutes等菌,对酶溶污泥有机质的降解和不同VFA的生成途径发挥重要作用。针对剩余污泥有机质C/N比较低(在6/1-9/1范围)的问题,研究了玉米秸秆、猪粪等外碳源调质剩余污泥对发酵产VFA效能的强化作用。以调整发酵底物C/N比为目的(发酵底物C/N比升高至20/1),分析了剩余污泥产酸发酵体系中VFA快速积累的效果。玉米秸秆调质剩余污泥时(发酵底物C/N比20/1),发酵体系中VFA的积累量在第4-5天时可快速升高至4500-4700 mg COD/L范围;玉米秸秆联合猪粪调质剩余污泥时(C/N比20/1),发酵体系中VFA的累积峰值在第4-5天迅速升至5100-5200 mg COD/L范围(对照组VFA峰值仅在3400-3500 mg COD/L范围)。外碳源调质酶溶污泥发酵体系中,Lactobacillus、Clostridium、Firmicutes、Bacteroidales和Anaerotruncus为优势产酸功能微生物,对混合底物的产酸发酵和生物转化过程发挥重要作用。外碳源污泥调质能够促进产酸发酵体系中微生物多样性的升高,并促进微生物群落趋向不均匀分布,形成顶级产酸微生物群落,有利于促进发酵产酸体系中VFA的快速积累。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X703
【图文】：

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波-NaOH可从污泥中可释放 34.20-43.73%的磷素，其中 23.48-32.07%能够以鸟粪石形式回收利用（pH 9.5，Mg/P 比为 1.5/1）Wang 等声-碱法污泥 TCOD 和 VSS 增溶效率分别为 66%和 49%（对照组仅为 58%和 37%），生物气体产率比对照组提高了 47%Tyagi 等声-嗜热菌溶解性蛋白和多糖分别高于对照组 2.53 和 2.62 倍，最大VFA 含量达到 4437±15 mg COD/LYang 等剩余污泥厌氧发酵及资源化研究现状.1 剩余污泥产挥发性脂肪酸厌氧发酵已被证明为一种固体废弃物处理处置及资源化的途径，由于其基费用低，耗能少，生物产品（VFA，生物气体等）可回收利用等优点已经关注与研究[37, 75]。由于传统剩余污泥厌氧发酵产甲烷过程中有机质碳源较低，研究者逐渐把挥发性脂肪酸产生和积累作为污泥厌氧发酵的产品产甲烷相比，VFA 的附加值更高、实际用途更加广泛[76]，即可进入产甲成甲烷气体，又可当作外加碳源用于强化传统生物处理工艺的脱氮除磷效用于生物塑料（PHA）的合成，也还用于生物发电（图 1-1）。

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哈尔滨工业大学工学博士学位论文余污泥产能源气体气体（甲烷）作为最终产品是传统剩余污泥厌氧发酵的目标，经过水解、酸化、乙酸化和产甲烷阶段产生甲烷，甲烷又可为剩酵工艺提供能量，从而减少厌氧处理工艺总体成本，实现 “以废污水厂污泥集中处置项目为例（图 1-2），剩余污泥进入料仓后理，经过热水解系统、厌氧消化系统、脱水干化系统等主体单元洁能源沼气，并且将污泥减量 60%以上，产生的沼气可为工艺厌氧消化系统供热，极大降低了污泥处置成本，厌氧消化后脱水场覆盖用土，整体工艺基本实现了污泥的完全资源化利用[77]。剩余污泥厌氧发酵产甲烷的首要限速步骤，所以污泥厌氧发酵甲泥预处理技术，以强化污泥固相中有机碳源的甲烷化效率，近年污泥厌氧发酵产甲烷资源化利用研究详见表 1-8。

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分别考察在不同发酵温度（25°C、35°C和55°C）下和不同生物固体停留时间下，酶溶剩余污泥发酵体系中VFA的积累规律；分析发酵过程中发酵体系颗粒粒径变化和上清有机质含量变化特性；考察发酵温度、固体停留时间等发酵影响因素对产酸微生物群落演替的作用影响，分析发酵过程中微生物多样性和产酸群落分布的均匀度，揭示酶溶污泥有机质产VFA的微生物产酸途径和作用机制；分析pH、ORP以及VFA积累等发酵限制因素对产酸微生物群落组成之间的联系，揭示发酵系统中发酵影响因素与微生物群落结构的关系及发酵产酸特性。（3）外加碳源调质强化酶溶污泥发酵产 VFA 的效能。通过外加碳源（玉米秸秆、猪粪）提高产酸发酵体系中的底物 C/N 比，强化酶溶污泥产酸发酵的效能，分析外碳源投加对产酸发酵体系 VFA 的积累效能，阐明发酵底物 C/N 比调整对产酸发酵体系中微生物群落结构动态变化和生物多样性的影响，揭示外碳源调质酶溶污泥产酸发酵的效能与微生物多样性的关系。1.6.2 技术路线本论文的研究技术路线如图 1-3 所示。

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