典型固体废弃物混合厌氧发酵比例优化及机理研究

发布时间：2017-08-31 13:50

  本文关键词：典型固体废弃物混合厌氧发酵比例优化及机理研究

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【摘要】：城镇化进程的加快,随之产生了许多难以处理的固体废弃物,如剩余活性污泥、玉米秸秆及牛粪等。厌氧发酵在高效处理这些固体废弃物的同时,还能得到资源,但单一原料的厌氧发酵往往存在原料难降解、水解酸化、碳/氮比(C/N)不足,营养物质不平衡等劣势。因此多原料的混合发酵显得尤为必要。本课题通过将发酵原料的剩余活性污泥进行超声处理,对玉米秸秆进行碱处理,分析预处理前后物质的结构变化以及有机组分后进行两两发酵,在此基础上,利用响应面曲面法研究了底物浓度和原料投配比对这三种原料混合发酵的产气量影响,并研究了优化配比下反应初期、产气高峰期和反应后期的微生物群落结构和有机物的迁移转化。通过预处理后的污泥,SCOD(Solluted chemical oxygen demand)的含量由816.5mg/L增涨至13890 mg/L,蛋白浓度增加到了461 mg/L,秸秆成分中影响发酵过程水解步骤的木质素从10.38%降低至6.42%,降解率达到了38.15%。半纤维素从32.54%降低到了16.62%,降解率达48.9%,树脂分级试验表明,污泥经超声处理后SUVA(Specific ultraviolet light absorbace)值与疏水性/亲水性都有所降低,未经预处理的牛粪SUVA仅为经超声预处理的一半,疏水性/亲水性相差无几。预处理试验表明了预处理后污泥和秸秆的可生化性得到了提高,而未经处理的牛粪中有大量芳香性物质溶出。污泥、玉米秸秆和牛粪两两发酵的研究结果表明,牛粪与秸秆的VS比为1:1时,产气率为613.8 m L/g VS,甲烷含量为62.32%;污泥和秸秆的VS比为1:2时,产气率为472.33 m L/g VS,甲烷含量为60.52%;污泥和牛粪的VS比为1:2时,产气率为470.33 m L/g VS,甲烷含量为58.68%;混合发酵过程中没有出现酸和氨抑制现象,COD和底物的去除率均远远大于单一原料发酵,对产气量最好的配比进行了日产气量和累积产气量的动力学分析,日产气量的相关系数均在0.6以上,累积产气量的相关系数均在0.98以上,这表明模型的拟合度较好。利用响应面曲面法研究了底物浓度和原料配比对污泥、玉米秸秆和牛粪混合发酵产气量的影响,试验结果显示,当底物浓度为15 g/VS、秸秆:牛粪:污泥=1:1:0.8,产气量为8066 m L。各分级样品的光谱分析表明,随着消化反应的进行,EBOM(Extracellular biological organic matter)中各组分得到了不同程度的降解,产气达到高峰时疏水性中性有机物成为消化的限制因素,反应后期微生物主要利用过渡亲水性中性有机物来进行生命活动。通过优化配比下的真细菌有74394条OUT(Operational Taxonomic Unit)序列,Shannon指数逐渐升高。从5.366738升高到了6.315557。测序的研究结果显示,随着反应时间的进行,反应器内的微生物种群丰富度增加。样本中主要菌群的含量依次为:ProtecbacteriaBacteroidetes)FirmicutesChloroflexi,古细菌有74394条OTU序列,Shannon指数从3.33894(反应初期)先升高到了3.711827(产气高峰期),随后降低到了3.139862(反应后期)。这表明在产气高峰期时的微生物种群丰富度增加。反应后期的丰富度小于反应初期。
【关键词】：污泥 玉米秸秆 牛粪 混合厌氧发酵 群落结构
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X705
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-23
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义11-12
• 1.1.1 课题背景11
• 1.1.2 课题研究目的和意义11-12
• 1.2 固体废弃物综合治理概述12-14
• 1.2.1 农作物秸秆资源化利用现状12
• 1.2.2 禽畜粪便资源化利用现状12-13
• 1.2.3 剩余污泥资源化利用现状13-14
• 1.3 厌氧消化技术概述14-19
• 1.3.1 厌氧消化机理14-15
• 1.3.2 厌氧消化的影响因子15-17
• 1.3.3 厌氧消化预处理17-19
• 1.4 混合厌氧发酵研究概述19-21
• 1.4.1 混合厌氧发酵研究现状19-20
• 1.4.2 混合厌氧发酵过程中微生物群落研究进展20-21
• 1.5 课题主要研究内容21-23
• 1.5.1 主要研究内容21
• 1.5.2 技术路线21-23
• 第2章 实验材料与方法23-30
• 2.1 实验材料23
• 2.1.1 牛粪、玉米秸秆及接种液23
• 2.1.2 剩余活性污泥23
• 2.2 实验设备23-24
• 2.2.1 超声装置23-24
• 2.2.2 实验装置24
• 2.3 实验方案设计24-25
• 2.3.1 发酵底物预处理物化成分分析24-25
• 2.3.2 污泥、牛粪、玉米秸秆两两混合厌氧发酵研究25
• 2.3.3 污泥、牛粪、玉米秸秆混合厌氧发酵效能及机理研究25
• 2.4 分析检测与计算方法25-29
• 2.4.1 常规参数的检测方法25-26
• 2.4.2 沼气产量和甲烷测定26
• 2.4.3 扫描电镜（SEM）26
• 2.4.4 傅里叶红外光谱（FITR）26-27
• 2.4.5 高通量测序分析27
• 2.4.6 树脂分级实验27-28
• 2.4.7 计算方法28-29
• 2.5 分析仪器29-30
• 第3章 发酵原料预处理前后的成分物化特征分析30-44
• 3.1 引言30
• 3.2 污泥和玉米秸秆预处理前后成分变化30-31
• 3.2.1 预处理前后剩余污泥（WAS）性质30-31
• 3.2.2 预处理前后玉米秸秆性质31
• 3.3 污泥和玉米秸秆预处理前后微观结构变化31-34
• 3.3.1 红外光谱（FTIR）分析31-33
• 3.3.2 扫描电镜（SEM）分析33-34
• 3.4 污泥和牛粪有机组分分析34-38
• 3.4.1 TOC含量的分析34-35
• 3.4.2 溶解性蛋白质含量比较35-36
• 3.4.3 多糖含量比较36-37
• 3.4.4 UV-254值比较37-38
• 3.5 污泥与牛粪EBOM及上清液三维荧光光谱分析38-42
• 3.5.1 污泥与牛粪上清液及其组分三维荧光光谱分析38-40
• 3.5.2 污泥与牛粪EBOM及其组分三维荧光光谱分析40-42
• 3.6 污泥与牛粪组分亲疏水性的比较42-43
• 3.7 本章小结43-44
• 第4章 污泥、牛粪、玉米秸秆两两混合厌氧发酵效果44-64
• 4.1 引言44
• 4.2 玉米秸秆与牛粪厌氧消化试验44-50
• 4.2.1 不同配比下沼气产量及性质分析44-46
• 4.2.2 不同配比下发酵液性质分析46-50
• 4.2.3 底物去除率分布特征50
• 4.3 污泥与玉米秸秆厌氧消化试验50-57
• 4.3.1 不同配比下沼气产量及性质分析50-53
• 4.3.2 不同配比下发酵液性质分析53-56
• 4.3.3 底物去除率分布特征56-57
• 4.4 污泥与牛粪厌氧消化试验57-63
• 4.4.1 不同配比下沼气产量及性质分析57-59
• 4.4.2 不同配比下发酵液性质分析59-62
• 4.4.3 底物去除率分布特征62-63
• 4.5 本章小结63-64
• 第5章 污泥、牛粪、玉米秸秆混合厌氧消化效能及机理研究64-82
• 5.1 引言64
• 5.2 原料配比和底物浓度双因素对产气量的影响64-67
• 5.2.1 混合发酵实验的线性回归分析65-66
• 5.2.2 混合试验工艺条件的响应曲面分析与优化66-67
• 5.3 混合消化过程中有机组分的分布67-69
• 5.3.1 SUVA的分布67-68
• 5.3.2 蛋白和多糖的分布68-69
• 5.4 混合消化过程中有机组分的光谱分析69-73
• 5.4.1 三维荧光光谱分析69-72
• 5.4.2 紫外可见光谱分析(UV-Vis)72-73
• 5.5 混合消化过程中微生物群落响应分析73-80
• 5.5.1 真细菌群落结构响应分析73-77
• 5.5.2 古细菌群落结构的响应分析77-80
• 5.6 本章小结80-82
• 结论82-84
• 参考文献84-92
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果92-94
• 致谢94

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本文编号：765974