城市生活污水蘊(yùn)含著大量的有機(jī)化學(xué)能。傳統(tǒng)的污水處理工藝是利用微生物的代謝作用將污水中的碳源物質(zhì)礦化,不僅需要消耗大量曝氣電能,并且不能有效回收污水中的資源與能源物質(zhì)。面向未來的污水處理廠,需要在滿足污水水質(zhì)凈化的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)對污水中的資源與能源的回收利用。本研究基于“污水碳源捕獲-富碳污泥厭氧消化”的技術(shù)框架,通過污泥吸附-鐵鹽混凝的技術(shù)手段產(chǎn)生鐵基富碳污泥,實(shí)現(xiàn)對污水中碳源的富集捕獲;通過序批式厭氧實(shí)驗(yàn),考察富碳污泥的厭氧產(chǎn)酸與產(chǎn)甲烷效能,并驗(yàn)證消化污泥中藍(lán)鐵礦的生成;通過微生物宏基因組測序,解析富碳污泥的內(nèi)在產(chǎn)能機(jī)制。研究中考察了“污泥吸附”和“污泥吸附-鐵鹽混凝”兩種碳源捕獲技術(shù)對實(shí)際生活污水中有機(jī)質(zhì)的捕獲效能。結(jié)果表明:污泥的最優(yōu)劑量為1500 mg/L,可吸附污水中47.9%的COD;而“污泥吸附-鐵鹽混凝”工藝具有更優(yōu)的碳源捕獲效果:在投加1500 mg/L污泥吸附及30 mg/L Fe~(3+)化學(xué)混凝的條件下,可最大捕獲污水中74.2%的COD,氨氮和總磷的捕獲率則分別為35.6%和90.8%;以捕獲污水碳源所生成的污泥為研究對象(鐵基富碳污泥),對比分析剩余污泥與鐵基富碳污泥的理化性質(zhì),發(fā)現(xiàn)富碳污泥的有機(jī)質(zhì)含量提高30%。同時(shí)發(fā)現(xiàn)富碳污泥由于引入了過量的Fe(III),導(dǎo)致污泥的EPS被Fe(III)的膠體骨架束縛,污泥粒徑減小10%,表面負(fù)電荷最大降低30%,而表面位密度最大升高75%。研究中考察了鐵基富碳污泥的水解產(chǎn)酸特性。以前期研究中投加不同劑量Fe~(3+)生成的鐵基富碳污泥為實(shí)驗(yàn)組,剩余污泥為對照組,進(jìn)行厭氧產(chǎn)酸發(fā)酵實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明:各組鐵基富碳污泥均具有良好的水解酸化效能,其中前端投加18 mg/LFe~(3+)的富碳污泥R1具有最優(yōu)的產(chǎn)酸效能。發(fā)酵7d時(shí)其SCOD溶出量為261.4 mg/gVS,VFAs產(chǎn)量為215.4 mg/gVS,分別是剩余污泥的3.00和3.02倍;機(jī)理分析認(rèn)為:在厭氧發(fā)酵過程中,鐵基富碳污泥中的Fe(III)迅速被還原為亞鐵,由Fe(III)橋接的膠體結(jié)構(gòu)迅速分解,釋放大量有機(jī)質(zhì),為微生物菌群供給了充足的碳源底物,促進(jìn)Firmicutes等發(fā)酵細(xì)菌大量繁殖,強(qiáng)化了產(chǎn)酸進(jìn)程。研究中考察了鐵基富碳污泥的厭氧產(chǎn)甲烷效能。以前期研究中投加不同劑量Fe~(3+)生成的鐵基富碳污泥為實(shí)驗(yàn)組,剩余污泥為對照組,進(jìn)行厭氧產(chǎn)甲烷實(shí)驗(yàn)。研究中發(fā)現(xiàn):鐵基富碳污泥的總產(chǎn)氣量和甲烷產(chǎn)量均優(yōu)于剩余污泥,其中前端投加24 mg/LFe~(3+)的富碳污泥R2具有最優(yōu)的甲烷產(chǎn)率,為181.4 ml/gVS,是剩余污泥R0的1.94倍。但是過量的Fe(III)會降低反應(yīng)器內(nèi)的pH值,提高ORP值,導(dǎo)致對厭氧消化產(chǎn)生一定的抑制作用;微生物宏基因組測序的結(jié)果表明,鐵基富碳污泥中水解產(chǎn)酸菌的豐度大幅上升,而產(chǎn)甲烷菌的豐度出現(xiàn)明顯下降;對消化結(jié)束后的污泥進(jìn)行晶相分析,發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)組和對照組中均有藍(lán)鐵礦生成,且實(shí)驗(yàn)組中的藍(lán)鐵礦含量比例比對照組提高了約100%。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：X703
【部分圖文】：

圖 1-1 基于污水碳源捕獲+厭氧消化的技術(shù)理念為迎接世界污水處理技術(shù)顛覆性的變革，結(jié)合我國生活污水處理現(xiàn)狀，開展面向我國的污水資源能源回收的研究工作意義重大�！丁笆濉鄙鷳B(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃》中提出，“具有前沿引領(lǐng)、顛覆創(chuàng)新特征”的城市污水資源與能源回收關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與系統(tǒng)集成創(chuàng)新，是我國“十三五”期間環(huán)境領(lǐng)域科技創(chuàng)新的發(fā)展方向和重點(diǎn)任務(wù)[10]。曲久輝院士等 6 位環(huán)境領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者于 2013 年提出“面向未來的中國污水處理概念廠”，要求污水處理廠在實(shí)現(xiàn)水污染削減的基礎(chǔ)上，為城市提供能源、水源及肥料[11]。因此，從污水中提取并回收資源已成為當(dāng)前

去除率從 42%提升至 70%。1.3 污泥厭氧產(chǎn)酸與產(chǎn)甲烷研究現(xiàn)狀在污水廠的生物處理步驟中，會產(chǎn)生占處理污水體積的 1-2%的污泥為剩余污泥與初沉污泥），這些污泥的處理與處置是亟待解決的問題。當(dāng)水污泥的處理方法主要包括厭氧消化，好氧發(fā)酵，干化焚燒等。其中，氧消化處理，不僅可以實(shí)現(xiàn)污泥的減量化與無害化，還可以使污泥中的轉(zhuǎn)化為短鏈脂肪酸，沼氣等生物資源，具有很高的回收價(jià)值。因此，污氧消化工藝受到了廣泛的關(guān)注與研究。1.3.1 污泥厭氧消化機(jī)理污泥的厭氧消化（Anaerobic Digestion，AD）是指在厭氧條件下，的大分子有機(jī)物通過溶胞水解，分解為可溶性小分子有機(jī)物，并進(jìn)而被生物菌群所利用，產(chǎn)生 VFAs，CH4，CO2等的過程。經(jīng)過前人的大量研泥厭氧消化可分為四個(gè)階段，分別是水解，酸化，產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸以及產(chǎn)甲

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文驗(yàn)。研究鐵基富碳污泥在實(shí)驗(yàn)過程中消化體系 pH/ ORP 的變化趨勢、污泥 SCOD溶出速率、污泥產(chǎn)氣特性與產(chǎn)氣組分，考察鐵基富碳污泥的產(chǎn)甲烷效能；研究厭氧污泥的微生物群落組成，從門和綱水平上考察水解產(chǎn)酸細(xì)菌及產(chǎn)甲烷古菌的豐富度，探究鐵基富碳污泥厭氧消化產(chǎn)能的內(nèi)在機(jī)制；考察消化污泥固相的晶相組成，明確是否有藍(lán)鐵礦生成，進(jìn)而解析鐵基富碳污泥的磷回收潛能。1.6.2 技術(shù)路線本探究的技術(shù)路線如圖 1-3 所示：
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