剩余污泥中磷的厌氧释放与结晶回收的效能与机制

发布时间：2020-09-15 20:22

　　城市污水处理厂中剩余污泥因含有大量的磷而被视为磷回收的重要潜在资源,厌氧生物释磷技术因其释磷效果良好且经济,已成为当前研究的热点之一。然而,关于如何提高剩余污泥厌氧释磷中易反应磷形态量、厌氧释磷过程中剩余污泥胞外聚合物(EPS)中磷形态及释磷机制与细胞内聚磷菌代谢之间的关系、影响EPS吸收/释放磷的主要因素却较少报道;如何寻找到一种低成本的磷回收剂,减少传统的化学药剂(如氯化铵作为氮源)的投加量,对于实现剩余污泥厌氧释磷液中磷的高效经济回收也至关重要。本文阐明了不同磷形态在剩余污泥中的分布规律,EPS在厌氧释磷中作用,揭示了酸/碱预调节强化释磷效果机制及鸟粪石结晶动力学机制。本文在以磷形态分级提取法(SMT法)探讨剩余污泥中厌氧释磷前后磷形态分布的变化。结果表明,无机磷(IP_s)是磷的主要组成成分,占总磷的87.82%,其中有77.50%是非磷灰石无机磷(NAIP_s),表征与钙结合的磷灰石无机磷(AP_s)约占总磷的14.97%,是最稳定的磷形态;有机磷(OP_s)大多是通过污泥解体或微生物代谢释放产生。经核磁共振方法(~(31)P-NMR法)观察到EPS中的磷主要以正磷酸盐(ortho-P)、焦磷(pyro-P)和聚磷(poly-P)三种磷形态存在,厌氧处理促进细胞内磷释放到上清液且在此过程中增加了EPS组分中磷含量,剩余污泥经厌氧释磷过程细胞内大部分长链聚磷被分解成短链聚磷和ortho-P,部分短链聚磷被EPS拦截而保留在EPS组分中。以烧杯实验考查剩余污泥厌氧释磷在不同温度条件下的效能,确定最佳温度条件,并揭示聚磷菌代谢与EPS中磷释放/累积的关系。研究结果表明,污泥厌氧释磷效能取决于微生物细胞和EPS组分中磷释放效果,不同温度下污泥中不同磷形态释放效果不同。随温度的升高,NAIP_s和OP_s释放率增大,AP_s释放率因其与金属离子产生沉淀而下降。污泥组分中磷形态变化主要受到聚磷菌代谢途径的影响,以及EPS组分厌氧水解与吸附作用的影响。经厌氧释磷后污泥上清液中最高总磷浓度发生在15~oC且上清液中磷的积累量可用伪二级动力学拟合模型描述。当温度高于25~oC,聚糖菌具有优先吸收有机物的优势,代谢由聚磷菌代谢(PAM)向聚糖菌代谢(GAM)转变;低温环境不仅改变污泥EPS含量,更因EPS组分中多糖含量的增加导致吸附能力的提高和微生物的聚集,储存在EPS组分中而不能释放到液相中的多链磷增加;较高温环境下EPS组分中胞外聚磷酸酶活性增强,由细胞内泄漏出的长链聚磷降解效果提高,利于EPS中磷的释放;但极低温度(5~o C)因抑制了微生物活性而不利于磷释放。细胞组分和EPS组分对释磷效能均有影响,且释放途径相互独立,但细胞组分在厌氧释磷效果中起决定作用,EPS在厌氧释磷过程中起到动态贮磷的作用。应用酸/碱预调节强化剩余污泥厌氧释磷效果,利用分子生物学手段探究经酸/碱预调节后污泥絮体结构和微生物群落的变化,进而揭示厌氧过程中EPS中磷释放/转移机理及影响因素。实验结果显示酸/碱预调节可以强化厌氧释磷效果,其厌氧释磷效果取决于磷形态和pH值。酸预调节对于TP_L增加主要归因于污泥组分中无机磷(NAIP_s和AP_s)的溶解释放,而厌氧过程中NAIP_s的释放及有机磷向无机磷的转化导致碱预调节后污泥上清液中磷含量的大幅度升高。NAIP_s是最大磷释放贡献者,pH=10.0时有76.14%的磷释放主要来自于NAIP_s的释放;OP_s的释放主要来自于微生物代谢及碱预调节对污泥絮体的瓦解。经酸/碱预调节后EPS基质中的磷主要以有机磷形态存在,酸/碱预调节促进了污泥结构的破坏,增强了微生物群落的丰富度和多样性,碱预调节后污泥群落丰富度高于酸预调节,酸预调节降低了Proteobacteria和Firmicutes的相对丰度,由于有机质的降解经碱预调节后优势门从Proteobacteria变化成Chloroflexi和Firmicutes。酸预调节(pH=5.0)可以改善剩余污泥经厌氧释磷所造成的脱水性较差问题,污泥毛细吸水时间与疏松结合EPS(LB-EPS)组分蛋白质/多糖含量比呈线性相关,确定pH=5.0,SE=800 kJ/kg TS这种酸预调节+低比能耗超声联合处理方式表现出更强脱水能力,毛细吸水时间仅为13.3 s。选择新鲜/腐熟尿液与剩余污泥厌氧释磷液作为替代药剂,考查从污泥厌氧释磷液与混合尿液同步回收其中氮和磷的可行性及回收效能,应用正交实验确定最优回收条件,并将结晶法耦合A/O工艺评估其回收前景。实验结果证明从以上两种富磷废水中以鸟粪石结晶的形式回收其中的磷与氮是可行的,将混合尿液中10 d腐熟尿液/新鲜尿液体积投加比=10%,m_(N/P)=1.05(混合尿液与污泥厌氧释磷液体积比=2.43%),m_(Mg/P)=1.2,pH=10.0,t=15 min确定为最优回收条件,该反应条件下磷回收率可以达到90.76%,SEM和XRD图谱分析结果显示有明显白色鸟粪石结晶体析出,且沉淀物特征峰与磷酸铵镁标准特征峰一致。对鸟粪石结晶动力学研究中发现,结晶过程仅发生均匀成核阶段,在晶体生长过程中摩尔沉积率与相对过饱和度之间的关系成幂指数关系,鸟粪石结晶具有很大回收磷潜力,1 mL混合尿液与41.9 mL污泥厌氧释磷液理论上可以回收182.3 mg鸟粪石沉淀,鸟粪石晶体纯度为83.12%。并将结晶法回收磷耦合于模拟污水处理厂A/O工艺中证实应用优化条件下污泥厌氧释磷液与尿液回收鸟粪石具有工程应用前景,本研究成果可为实现剩余污泥中磷的回收提供技术支撑。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：X703
【部分图文】：

分析图,污泥,分析图,聚磷

且 15oC 更有利于聚磷菌的代谢，Os 存在对 HAc 的竞争。同时，PHA 为成过程主要是由细胞内聚磷量所决定的境，25oC 时 PHA 含量是 35oC 时 PHA451.58 mg/L。在经过 120 min 厌氧处理原作为分解释放正磷酸盐的能量来源，率，最大磷酸盐释放速率（Pr）在 2件下时最大磷酸盐释放速率最小为 12.1与聚磷含量有关，研究指出，污泥在厌存在[165,166]，但在 25oC 聚磷含量高达时最小仅为 1.54%，说明当温度较低时量较少，说明在此环境中聚磷水解较程中存在主导微生物由 PAOs 代谢向 GAOs 的厌氧糖原降解途径而更利于olism）代谢。图 3-11 表示应用 FISH 分释磷处理 FISH 分析结果照片。

【参考文献】