硝酸铁强化污泥自热高温微好氧消化及其机理研究

发布时间：2020-09-18 18:00

　　污泥稳定化是污泥无害化的一个关键步骤,未经稳定化处理的污泥肆意排放将对生态环境和人类健康造成重大的危害。通常污泥稳定化方法分物理法、化学法和生物法,而生物法又主要有厌氧消化和好氧消化。自热高温微好氧消化(ATMAD)源自于好氧消化,采用该工艺进行污泥稳定化处理具有消化快速高效、灭菌效果好等优点。但是污泥ATMAD工艺消化过程中前期由于供氧不足导致挥发性脂肪酸(VFA)大量积累,造成系统内优势菌种受到抑制,使得该工艺的消化性能无法得到进一步地提高。针对ATMAD工艺的不足,本文考察了硝酸铁、氯化铁等药剂对污泥ATMAD工艺效果的影响;在此基础上,探讨了投加量、投加时段等工艺参数对硝酸铁强化污泥ATMAD进程的影响;随后进一步研究了消化温度、曝气速率等因素对硝酸铁提高污泥ATMAD效率的影响;最后通过分析最优化条件下硝酸铁强化污泥ATMAD系统中有机物代谢和微生物群落结构演变之间的相互影响规律,阐明硝酸铁强化污泥ATMAD工艺的作用机理;此外,还对硝酸铁强化污泥ATMAD系统中有机物降解的动力学进行了研究。硝酸铁对ATMAD消化反应过程的促进作用最为明显,氯化铁次之,硝酸钾和氯化钾的作用不明显。消化结束时硝酸铁强化组较空白组可使TVFA的浓度从5499 mg/L有效降低至716 mg/L,乙酸浓度从2790 mg/L减少至541 mg/L,有效地提高了微生物的活性,使得污泥稳定化所需的时间缩短了9天,稳定化程度也得到了提高,最终VS去除率较空白组高了8%,消化液上清液中碳氮磷等物质浓度也都降低。表明药剂强化污泥ATMAD工艺取得了显著的效果。硝酸铁最佳的投加量为以去除1000 mg/L乙酸当量对应量,最佳投加时段为第6天,最佳的投加初始pH为6.5。硝酸铁强化下,ATMAD工艺污泥的消化效果随消化温度的升高而增强,最佳温度为55℃;曝气速率的增大有利于加速污泥的稳定化速率,曝气速率以每小时气液比1.0为宜;进料污泥TS浓度增大不利于消化效果,最佳TS浓度为5.5%;进料污泥中二沉池污泥比例越高越有利于工艺的消化效果,以100%二沉池污泥最佳。硝酸铁强化组的污泥稳定化效果均要高于空白组,但却不能本质上提高污泥的可生化性。消化污泥的脱水性能并未因铁盐的加入而有所改善,药剂强化下曝气速率和进泥中二沉池污泥比例的增大均使得消化污泥的脱水性能恶化。硝酸铁加入后不仅降低了VFA的浓度,也改变了VFA的种类分布,使其更有利于微生物的降解。添加硝酸铁后污泥ATMAD消化系统中微生物总的菌群丰度保持基本不变,但微生物的多样性大大降低,表明微生物群落结构得到了选择性简化和强化作用。其中,ATMAD工艺系统内革兰氏阳性菌,尤其是Firmicutes的相对丰度得到了明显提高,优势菌种从空白组中传统的Proteobacteria菌门下Tepidiphilus sp.菌种转化为Firmicutes菌门下Symbiobacterium sp.菌种。微生物群落结构的优化,使得污泥ATMAD工艺过程上清液中溶解性有机物(DOM)的可生化降解成分比例呈倍数增长,从而促进了消化过程的进行,极大地提高了VS去除率,缩短了污泥稳定化的时间。消化结束时,硝酸铁投加组的SCOD和TCOD均较空白组低,说明加药组的污泥稳定化水平较空白组更高。整个消化过程中有机物降解的动力学方程式呈多段线性,即降解速率呈先快后慢的趋势。温度变化对药剂作用效果的影响可以忽略不计,药剂强化系数即K_(T+A)/K_T为1.8700。硝酸铁加入后放大了有机物比例变化带来的影响。硝酸铁加入前有机物降解速率随进料污泥浓度增大而增大,硝酸铁加入后则相反,同时,硝酸铁加入后,污泥浓度对有机物降解速率的影响增强。
【学位单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：X703
【部分图文】：

路线图,论文研究,路线图

论文研究的技术路线图

单段,气相色谱仪,混合液,滤液

图 2.1 模拟的单段式 ATMAD 装置示意图Fig. 2.1Schematic diagram of the simulated one-stage ATMAD digester取一部分滤液，用 3%浓度的 H3PO4溶液将混合液 pH 调整至 4.0 左右箱内储存做后续 VFA 测定。采用 Shimadzu GC-2010 型气相色谱仪，

物种分布,分类等级,微生物群落,高通量

模拟单段式 ATMAD 工艺系统中微生物的 Illumina 高通量测序结果：（A）Shan（B）聚类树；（C）微生物群落在门分类等级上的系统组成。相对丰度定义为计算的每一样品中序列占总序列数的比例。按门等级算在三个基因库中相对丰1.0%的菌种定义为“其他”。3.20 Results of Illumina high throughput sequencing： (A) Shannon rarefaction curvng tree; (C) taxonomic compositions of bacterial communities at phylum level in the se ATMAD systems. Relative abundance was defined as the number of sequences affilTU divided by the total number of sequences per sample. The relative abundance of pthan 1.0% of total composition in the three libraries was defined as “other”.组样品在门分类等级上的微生物物种分布图如图 3.20 C 所示。经过 21

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