厌氧产甲烷强化方法及其对厌氧微生物群落的影响机制

发布时间：2020-08-28 01:24

【摘要】：污水处理产业面对着“节能降碳”的技术需求,亟待开发一系列新型低能耗的污水处理工艺系统。在这些工艺系统中,厌氧产甲烷是实现污水能源回收的重要技术手段之一,通过从原污水或污水处理伴生物(污泥)中回收甲烷,转化为热能或电能并供给其他处理工段,将可能实现整个处理工艺的低碳节能。但是现有厌氧产甲烷技术普遍存在着低浓度低温条件下效能下降、对抑制因素敏感、启动周期较长等技术瓶颈,而造成问题的核心因素在于产甲烷功能菌群对环境因素敏感度高,在不利环境条件(如低进水浓度、低温、存在抑制因子)下生长代谢速率缓慢,难以富集。在厌氧消化系统中“引入微生物电化学系统”和“引入导电材料”是两种对厌氧微生物群落(特别是产甲烷菌群)可产生影响的工艺强化方法。本文将就这两种强化方法对厌氧微生物群落结构以及产甲烷菌群富集过程的影响展开分析,并在此基础上,将两种方法应用于现有厌氧生物处理技术,提高其产甲烷效能,实现污水能源回收的强化。首先,分别在闭路条件(RCC)和开路条件(ROC)下启动了两组单极室微生物电解电池(Microbial electrolysis cell,MEC)反应器,用以模拟有(无)微生物电化学反应影响的厌氧消化体系。结果发现,与ROC相比,RCC的化学需氧量(Chemical oxygen demand,COD)去除率和产甲烷速率分别提高了38%和1.4倍。利用动力学模拟工具追踪功能菌群在电极表面的富集过程,发现引入微生物电化学反应可以限制发酵产酸菌群对载体空间的竞争并定向富集嗜氢型产甲烷菌群和电化学活性菌群。通过对启动后的ROC和RCC体系建立了厌氧消化过程的电子平衡分析发现,引入微生物电化学反应可以影响发酵产物组成比例,导致流向乙酸和氢气的电子比例由54%提高至72%,而滞留在丙酸和丁酸中的电子比例由36%降低至18%;此外,微生物电解过程致使约16%的电子由乙酸转移至氢气,并进而在嗜氢产甲烷菌作用下生成甲烷,这促使体系的产甲烷效能得到了显著提高。其次,考察了施加外电压和添加偶氮染料酸性橙(Acid orange 7,AO7)这两种操作条件对含有导电载体的厌氧生物膜体系在微生物群落结构和产甲烷效能方面的影响。结果发现,采用导电石墨颗粒载体可以诱导产甲烷菌与胞外电子传递菌之间直接种间电子传递(Direct interspecies electron transfer,DIET)过程的形成。在HRT为6 h条件下,与不导电载体相比,采用导电载体的体系中生物质产甲烷活性提高了8.3倍,产甲烷速率提高了3.8倍。在采用导电载体的基础上进一步施加外电压,会显著影响产甲烷菌群落结构,而添加AO7则显著影响细菌群落结构,富集多种具有胞外电子传递功能的菌属,两种条件都可以对产甲烷效能产生一定促进作用。同时施加两种操作条件,则会形成协同作用,筛选富集脱硫球茎菌属(Desulfobulbus),肠球菌属(Enterococcus),产甲烷八叠球菌(Methanosarcina),脱硫单胞菌属(Desulfuromonas)等与DIET型产甲烷过程相关的功能菌属,强化体系的产甲烷效能,与无AO7和外电压的对照组相比,其生物质的产甲烷活性提高了1.5倍,而体系产甲烷速率提高了1.4倍。最后,将微生物电解电池与厌氧升流式污泥床(Up-flow anaerobic sludge bed,UASB)工艺相结合,构建了UASB-MEC耦合反应器,并对微生物电化学单元的关键工艺参数和电极与厌氧污泥的耦合方式开展了优化研究。结果发现增大阴阳极的尺寸比例、施加0.9 V外电压以及采用金属镍网作为阴极三种操作条件可以显著提高微生物电化学单元的电化学性能和产甲烷效能,而电极处于污泥床层上方(水相中)的反应器构型更具优势性。利用优化后的UASB-MEC耦合反应器处理剩余污泥产酸发酵液,结果与无电化学单元的对照UASB反应器相比,其甲烷速率和甲烷产率分别提高了53%和86%,启动周期由45天缩短至22天。将普通厌氧生物滤池反应器中的填料替换为导电石墨颗粒,并在启动阶段施加外电压和AO7刺激,构建了改良型厌氧生物滤池工艺。该工艺处理模拟污水时,在水力停留时间(Hydraulic retention time,HRT)为4 h条件下,产甲烷速率和甲烷产率分别达到了0.2 m3/(m3·d)和0.13 m3/kg COD。当底物切换为生活污水后,工艺平均产甲烷速率和甲烷产率分别为0.04 m3/(m3·d)和0.06 m3/kg COD,与普通厌氧生物滤池相比,分别提高了42倍和13倍。实验结果证明了通过“引入微生物电化学系统”和“引入导电材料”这两种方法强化厌氧产甲烷效能的应用可行性,为实现污水的能源回收提供了新的技术思路。
【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】：2017
【分类号】：X703;X172
【图文】：

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