【摘要】：污泥干式厭氧發(fā)酵技術(shù)是當(dāng)前污泥處理處置的有效技術(shù)之一,沼氣產(chǎn)率、甲烷含量、發(fā)酵周期和有機(jī)質(zhì)利用率是衡量干式厭氧發(fā)酵效果的重要指標(biāo)。腐殖酸(Humic acid,簡(jiǎn)稱HA)是污泥中有機(jī)物的主要組成部分,其結(jié)構(gòu)中含有大量的羧基、羰基、羥基、酮基和醌基等官能團(tuán),具有復(fù)雜的氧化還原特性,對(duì)污泥發(fā)酵過程的甲烷產(chǎn)生具有一定的影響。本研究對(duì)HA影響污泥干式發(fā)酵產(chǎn)甲烷過程的機(jī)理進(jìn)行探討,采用市政污泥為發(fā)酵底物,開展不同HA含量的干式厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn),利用氣相色譜、三維熒光光譜和傅里葉變換紅外光譜等技術(shù),分別檢測(cè)沼氣的甲烷含量、發(fā)酵液的揮發(fā)性脂肪酸(VFA)濃度,并表征HA的化學(xué)結(jié)構(gòu)。分析了HA在發(fā)酵過程中的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化規(guī)律,研究了HA對(duì)污泥干式厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸產(chǎn)甲烷過程的影響,為提升污泥干式厭氧發(fā)酵處理技術(shù)提供理論基礎(chǔ)。主要的研究結(jié)果如下:(1)添加HA對(duì)污泥干式厭氧發(fā)酵甲烷產(chǎn)量總體呈現(xiàn)抑制作用,當(dāng)HA含量為10%時(shí),較空白組的累計(jì)甲烷產(chǎn)量略上升,但當(dāng)HA含量為20%時(shí),累計(jì)甲烷產(chǎn)量顯著下降;利用Pearson相關(guān)性分析表明,添加HA在發(fā)酵初期與發(fā)酵末期對(duì)干式厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣的抑制程度較高,在發(fā)酵中期對(duì)產(chǎn)氣量具有一定的促進(jìn)作用;Gompertz方程擬合累計(jì)甲烷產(chǎn)量結(jié)果表明,當(dāng)HA含量為10%,最大產(chǎn)甲烷速率有所提高;當(dāng)HA含量為5%和10%時(shí),提高了厭氧發(fā)酵的甲烷日產(chǎn)量峰值,但HA含量提高至15%和20%時(shí),甲烷日產(chǎn)量峰值轉(zhuǎn)為下降。(2)污泥與餐廚垃圾的混合物料中HA含量占溶解性有機(jī)質(zhì)的含量比例約為1%-10%,類胡敏酸為干式厭氧發(fā)酵過程中的主要有機(jī)組分,類胡敏酸可以由木質(zhì)素降解與微生物代謝產(chǎn)物產(chǎn)生,同時(shí)類富里酸與類胡敏酸相互轉(zhuǎn)化;HA在干式厭氧發(fā)酵過程中化學(xué)結(jié)構(gòu)特征變化主要為芳香族碳含量上升,脂肪族碳、羧基和羥基碳含量相對(duì)減少,HA結(jié)構(gòu)的聚合度提高,在發(fā)酵后期,HA的芳構(gòu)化程度明顯增加,并且發(fā)酵過程中含氮化合物被降解,產(chǎn)生了酚、酯、醇以及多糖類化合物等。(3)HA對(duì)污泥干式厭氧發(fā)酵的產(chǎn)酸反應(yīng)具有促進(jìn)作用,添加HA后提高了發(fā)酵系統(tǒng)內(nèi)的VFA濃度;乙酸為主要的發(fā)酵酸化產(chǎn)物,由于丙酸、丁酸和戊酸在產(chǎn)乙酸菌的作用下可被將降解為乙酸,促使乙酸濃度升高;利用Pearson相關(guān)性分析結(jié)果表明,HA主要在發(fā)酵前期對(duì)水解產(chǎn)酸起促進(jìn)作用,在發(fā)酵后期對(duì)VFA產(chǎn)生呈抑制作用;HA對(duì)發(fā)酵系統(tǒng)內(nèi)VFA濃度的影響變化與其對(duì)甲烷產(chǎn)生量的影響變化分析的規(guī)律相似,HA通過VFA產(chǎn)甲烷途徑影響干式厭氧發(fā)酵的甲烷產(chǎn)量。
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：X703
【圖文】：

圖 1-1 2010 -2018 年我國污泥年產(chǎn)量Fig.1-1 Annual production of sludge in China from 2010 to 2018泥的特點(diǎn)及危害處理產(chǎn)生的污泥主要包括初沉污泥、活性污泥和厭氧消化污泥等，污的沉淀物質(zhì)，其成分十分復(fù)雜，包括泥砂、纖維等固體顆粒，各種膠的金屬元素、微生物等[7]。污泥的形態(tài)是一種介于液體和固體之間的性較差，污泥顆粒的粒徑大小為 0.02-0.2 mm，比表面積為 20-100 cm 95%-99%[8]。污泥是由 65%的有機(jī)物和 35%的無機(jī)物構(gòu)成的復(fù)雜絮主要包括蛋白質(zhì)、脂肪和多糖等有機(jī)化合物，以及 N、P、K、Ca 等機(jī)物，同時(shí)含有重金屬、病原菌和持久性有機(jī)物等[9]。安全處理的污泥隨意排放，將污染生態(tài)環(huán)境與人類健康，主要表現(xiàn)在11]：（1）污泥脫水后含水率仍然較高（一般為 78%-82%），易造成堆放

圖 1-2 干式厭氧發(fā)酵三階段理論示意圖.1-2 Schematic diagram of three-stage theory of dry anaerobic fermen厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷的影響因素固體廢棄物的厭氧發(fā)酵過程影響因素比較復(fù)雜，通常受作用的影響。當(dāng)發(fā)酵條件相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，產(chǎn)氣效果較好，問題時(shí)，整個(gè)發(fā)酵過程的產(chǎn)氣量、甲烷含量等指標(biāo)就會(huì)能導(dǎo)致發(fā)酵失敗。因此，工藝條件的控制對(duì)厭氧發(fā)酵過目前主要研究的干式厭氧發(fā)酵過程影響因素包括：溫度種物和抑制因素等。在干式厭氧發(fā)酵過程中溫度是調(diào)控發(fā)酵菌群、強(qiáng)化產(chǎn)氣技術(shù)可分為常溫發(fā)酵（室溫）、中溫發(fā)酵（30 ℃-38 ℃

條件下都能溶于水；（3）胡敏素（Humin，簡(jiǎn)稱 HM），溶于稀堿，不溶于水和酸。HA 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，沒有固定的化學(xué)式，楊天學(xué)等研究了 HA 大分子的結(jié)構(gòu)模型[65]，如圖 1-3 所示。HA 因結(jié)構(gòu)中含有酚羥基、羧基、醇羥基、烯醇基、磺酸基、取代氨基、醌基、羰基、甲氧基等多種基團(tuán)，具有親水性、離子交換性、熱穩(wěn)定性、吸附性和絡(luò)合性等化學(xué)性質(zhì)，HA 的多種理化性質(zhì)是由其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和官能團(tuán)所致[66]。決定 HA 化學(xué)性質(zhì)的主要是其分子上含有的如羧基、羥基以及脂肪烴、含氮化合物和烷烴結(jié)合的芳香基團(tuán)等官能團(tuán)。HA 具有較高的反應(yīng)活性，易于環(huán)境中的氧化物、金屬離子、氫氧化物、礦物質(zhì)、有機(jī)質(zhì)以及毒性污染物發(fā)生相互作用[67, 68]。1）HA 可與水中離子進(jìn)行交換或與金屬離子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，增強(qiáng)其生物毒性；2）HA 可以與消毒劑反應(yīng)生成具有“三致效應(yīng)”的鹵乙酸、三氯甲烷等消毒副產(chǎn)物；3）HA 會(huì)導(dǎo)致水體色度、異臭味，并腐蝕配水管道等；4）環(huán)境中 HA 含量與大骨節(jié)病相關(guān)；5）水體 HA 受酸雨影響后，氧含量和酚、醛酸性增強(qiáng)，對(duì)浮游植物和魚類產(chǎn)生影響。

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本文編號(hào)：2777191