贮存污泥生物干化过程中组分变化及微生物学机制研究

发布时间：2020-07-21 18:24

【摘要】：近年来,随着贮存污泥产量的增多,引发的环境等问题受到越来越多的关注。因此,对贮存污泥的处理迫在眉睫。但是贮存污泥性质及高含水率等问题影响其进一步的处理处置,因而对贮存污泥性质进行分析以及脱水干化是后续处理的关键。生物干化技术是当前处理贮存污泥经济可行的方法之一。本文分析了贮存污泥在长期贮存过程中的性质变化,在此基础上研究了贮存污泥生物干化的关键影响因素,并建立了预测模型;研究了生物干化过程不同组分的转化规律以及水分和热量的变化情况;最后利用分子生物学技术探讨了生物干化过程中微生物(细菌和真菌)的群落结构和功能特点,以及水分变化与微生物群落的关系。由于贮存污泥的性质会影响后续的处理处置方式,且其性质在长期贮存过程中会发生变化,因此首先对沈阳某污泥填埋场贮存污泥性质随贮存时间的变化进行了分析,并进行了相关数学模型的拟合,结果显示贮存污泥在长期的贮存过程中含水率始终维持在较高的水平(75~80%),并没有显著降低。有机质含量逐渐降低,前期下降趋势明显,后期逐渐变缓,最终降至38.45%左右。Cu、Zn、Cr、Ni、Cd、As、Hg等重金属含量及形态并未发生明显规律性变化。总氮、NH_4~+-N及NO_3~--N的变化趋势分别与高斯函数、傅里叶函数和多项式函数拟合较好。生物干化过程中调理剂和通风等因素对干化效果具有重要的影响,因此采用生物干化实验装置考察了调理剂种类、调理剂配比、通风方式和通风量等关键影响因素对贮存污泥生物干化的影响,结果显示贮存污泥与啤酒糟的配比为5:1(w/w,湿重),通风方式为10 min开/20 min关的间歇通风方式,通风量为1.4 L min~(-1) kg~(-1)干物质是较为合适的选择,此时含水率由70.90%降至56.36%。基于支持向量回归机的预测模型可以准确预测生物干化过程中含水率的变化。生物干化过程中溶解性有机物、腐殖质和元素的变化表明生物干化可以促进物料向稳定的大分子物质转化。对有机质不同溶解性组分(水溶性组分、纤维素、半纤维素和木质素)的降解情况分析表明,结构不同的有机组分在生物干化过程中的降解情况不同。由水分平衡分析可知,蒸发是生物干化过程中水分去除的主要途径,占总去除量的90%以上。热量分析表明蒸发散热是生物干化过程中热量消耗的主要途径,占总消耗热量的60%左右。调理剂对生物干化系统生物热的贡献值大于80%,远远高于贮存污泥的贡献值,因此贮存污泥生物干化时添加调理剂是非常必要的。利用平板计数方法考察了生物干化过程中微生物数量的变化,结果发现细菌数量变化与放线菌相似,总体先升高后降低;真菌数量在初期出现短暂的上升,此后快速下降。对生物干化过程中多种酶活性进行分析,结果表明淀粉酶、蛋白酶及脂肪酶活性均先增加后降低,木质纤维素酶(木聚糖酶、羧甲基纤维素酶和木质过氧化物酶)在整个生物干化过程中始终维持在较低的水平。利用高通量测序技术考察了生物干化过程中微生物(细菌和真菌)的群落结构。细菌群落结果表明,生物干化过程会导致细菌群落多样性降低,群落结构会发生动态变化,且高温期的优势菌属为Ureibacillus和Bacillus。利用PICRUSt对细菌群落的功能性预测分析可知,主要的生化代谢途径为:代谢、基因信息处理过程、环境信息处理过程和细胞过程。对真菌群落的分析同样表明,生物干化过程中真菌群落的多样性经过高温期后会降低。在属水平,高温期优势真菌为Pichia。利用FUNGuild数据库对真菌的功能性预测分析表明,真菌根据营养方式主要分为病原型和腐生型两大类。对水分变化与微生物群落的关系分析表明Bacillus、Ureibacillus和Pichia对生物干化过程中水分蒸发发挥至关重要的作用。
【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】：2019
【分类号】：X703
【图文】：

路线图,研究技术,路线图

研究技术路线图

示意图,干化,实验装置,示意图

图 2-1 生物干化实验装置示意图Fig.2-1 Schematic diagram of experimental equipment for biodrying生物干化反应器的主体是以有机玻璃为材质的圆柱体，内部直径为 40 cm，高度为 60 cm，有效体积约为 50 L。为防止热量散失，反应器的外壁用 15 cm厚的保温棉包裹。在物料的上方覆盖一层保温材料防止热量的损失及水分的冷凝回流，定期更换覆盖的保温材料。距反应器底部约 30 cm 处设置一活动的有

示意图,红色区域,调理剂,位置

图 2-2 污泥填埋场位置（红色区域）图 2-3 污泥填埋坑位置分布示意图Fig. 2-2 Location of sludge landfill (Red aera) Fig.2-3 Distribution map of sludge landfill pit2.2.3 调理剂对生物干化过程影响实验2.2.3.1 调理剂种类影响实验

【参考文献】