【摘要】：傳統(tǒng)污水生物處理工藝將污染物以微生物有機(jī)質(zhì)的形式轉(zhuǎn)移賦存至剩余污泥中,以實(shí)現(xiàn)水體的去污染化。因此剩余污泥中富含大量有機(jī)碳源,污泥固相中有機(jī)質(zhì)組分在60%以上,可回收利用潛力巨大。但當(dāng)前剩余污泥的處理成本占到污水處理工藝總成本的20-50%,如何實(shí)現(xiàn)剩余污泥的快速處理及資源化,以實(shí)現(xiàn)剩余污泥處理的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)保效益的最大化,成為當(dāng)前及今后污泥處理領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題。本研究針對(duì)傳統(tǒng)剩余污泥水解時(shí)間較長(zhǎng)、厭氧發(fā)酵資源化效率較低等問(wèn)題,開(kāi)展利用生物酶對(duì)剩余污泥快速溶胞與水解研究,促進(jìn)污泥固相顆粒溶解化,探究污泥酶溶胞水解效能;研究酶溶污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)揮發(fā)性脂肪酸(VFA)的效能與微生物作用機(jī)制,分析產(chǎn)酸影響因素對(duì)VFA積累的影響作用及其與產(chǎn)酸微生物群落的關(guān)系,提高酶溶污泥有機(jī)質(zhì)向VFA的轉(zhuǎn)化效率;通過(guò)外碳源污泥調(diào)質(zhì)調(diào)整發(fā)酵底物C/N比,強(qiáng)化酶溶污泥發(fā)酵產(chǎn)VFA的效能,實(shí)現(xiàn)VFA的高效快速積累。為促進(jìn)剩余污泥固體有機(jī)質(zhì)向液相的溶解化,研究利用溶菌酶、蛋白酶、淀粉酶和纖維素酶及其復(fù)合對(duì)剩余污泥進(jìn)行溶胞預(yù)水解,結(jié)果表明,四種單一酶中,溶菌酶對(duì)剩余污泥有機(jī)質(zhì)的溶出效果最佳,在酶投量水平5-15%(酶投質(zhì)量比,w/w)、酶溶反應(yīng)240 min條件下,剩余污泥上清SCOD迅速升高至3950-5660 mg/L范圍;在酶溶反應(yīng)180 min內(nèi),而復(fù)合生物酶(四酶混合,質(zhì)量比為1:1:1:1)在酶投量水平5-15%(w/w)時(shí),污泥上清液溶解態(tài)COD含量從初始200 mg/L左右迅速升高至6600-9100 mg/L范圍,并且高于四種單一酶對(duì)剩余污泥有機(jī)質(zhì)的溶出SCOD之和,表明復(fù)合酶較單一酶對(duì)剩余污泥具有更佳的有機(jī)質(zhì)溶出效果。受污泥蛋白介導(dǎo)的生物絮凝作用,污泥顆粒粒徑增大,污泥的分布擴(kuò)散系數(shù)(DSI)升高;EEM光譜顯示色氨酸類(lèi)蛋白物質(zhì)和簡(jiǎn)單芳香族類(lèi)蛋白物質(zhì)是污泥顆粒酶溶后液相中存在的主要蛋白,對(duì)污泥可生物降解性能的提升有重要貢獻(xiàn)。污泥固相微生物群落結(jié)構(gòu)受酶溶作用影響明顯變化,酶溶作用能夠降低剩余污泥微生物的多樣性,并可引起污泥固相微生物群落均勻度升高。研究了生物酶酶溶污泥的發(fā)酵產(chǎn)VFA的效能與微生物作用機(jī)制。研究中考察了不同發(fā)酵溫度對(duì)酶溶污泥發(fā)酵產(chǎn)酸效能的影響,高溫發(fā)酵過(guò)程中VFA的積累量高于中溫和常溫發(fā)酵過(guò)程,在高溫發(fā)酵的第4-6天,VFA含量快速積累至3200-3500 mg/L水平,其中乙酸、丁酸含量分別達(dá)到1000-1200 mg COD/L和800-1100 mg COD/L,在混合VFA中占優(yōu)勢(shì)地位;分析了固體停留時(shí)間(SRT)對(duì)發(fā)酵產(chǎn)VFA的影響,SRT為8天時(shí)酶溶污泥厭氧發(fā)酵VFA積累量(4000-4200 mg COD/L)微高于其余SRT(11天和6天)下VFA積累量(在3500-4100 mg COD/L范圍),延長(zhǎng)停留時(shí)間沒(méi)有進(jìn)一步提升VFA產(chǎn)生量。發(fā)酵溫度、固體停留時(shí)間等主要影響因素對(duì)發(fā)酵微生物群落演替有顯著影響,發(fā)酵體系微生物多樣性的升高、低均勻度的分布對(duì)VFA的快速積累有促進(jìn)作用。pH與ORP在酶溶污泥發(fā)酵前期對(duì)發(fā)酵體系中微生物群落發(fā)揮主要影響作用,而VFA積累量成為酶溶污泥發(fā)酵后期產(chǎn)酸的主要制約因素,解除VFA積累可促進(jìn)VFA的產(chǎn)生;產(chǎn)酸發(fā)酵體系中的優(yōu)勢(shì)微生物為Proteiniborus、Pelotomaculum、Gallicola、Bacteroidales、Synergistaceae、Lactobacillus、Anaerotruncus,Clostridium IV,Oscillibacter和Firmicutes等菌,對(duì)酶溶污泥有機(jī)質(zhì)的降解和不同VFA的生成途徑發(fā)揮重要作用。針對(duì)剩余污泥有機(jī)質(zhì)C/N比較低(在6/1-9/1范圍)的問(wèn)題,研究了玉米秸稈、豬糞等外碳源調(diào)質(zhì)剩余污泥對(duì)發(fā)酵產(chǎn)VFA效能的強(qiáng)化作用。以調(diào)整發(fā)酵底物C/N比為目的(發(fā)酵底物C/N比升高至20/1),分析了剩余污泥產(chǎn)酸發(fā)酵體系中VFA快速積累的效果。玉米秸稈調(diào)質(zhì)剩余污泥時(shí)(發(fā)酵底物C/N比20/1),發(fā)酵體系中VFA的積累量在第4-5天時(shí)可快速升高至4500-4700 mg COD/L范圍;玉米秸稈聯(lián)合豬糞調(diào)質(zhì)剩余污泥時(shí)(C/N比20/1),發(fā)酵體系中VFA的累積峰值在第4-5天迅速升至5100-5200 mg COD/L范圍(對(duì)照組VFA峰值僅在3400-3500 mg COD/L范圍)。外碳源調(diào)質(zhì)酶溶污泥發(fā)酵體系中,Lactobacillus、Clostridium、Firmicutes、Bacteroidales和Anaerotruncus為優(yōu)勢(shì)產(chǎn)酸功能微生物,對(duì)混合底物的產(chǎn)酸發(fā)酵和生物轉(zhuǎn)化過(guò)程發(fā)揮重要作用。外碳源污泥調(diào)質(zhì)能夠促進(jìn)產(chǎn)酸發(fā)酵體系中微生物多樣性的升高,并促進(jìn)微生物群落趨向不均勻分布,形成頂級(jí)產(chǎn)酸微生物群落,有利于促進(jìn)發(fā)酵產(chǎn)酸體系中VFA的快速積累。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：X703
【圖文】：

波-NaOH可從污泥中可釋放 34.20-43.73%的磷素，其中 23.48-32.07%能夠以鳥(niǎo)糞石形式回收利用（pH 9.5，Mg/P 比為 1.5/1）Wang 等聲-堿法污泥 TCOD 和 VSS 增溶效率分別為 66%和 49%（對(duì)照組僅為 58%和 37%），生物氣體產(chǎn)率比對(duì)照組提高了 47%Tyagi 等聲-嗜熱菌溶解性蛋白和多糖分別高于對(duì)照組 2.53 和 2.62 倍，最大VFA 含量達(dá)到 4437±15 mg COD/LYang 等 剩余污泥厭氧發(fā)酵及資源化研究現(xiàn)狀.1 剩余污泥產(chǎn)揮發(fā)性脂肪酸厭氧發(fā)酵已被證明為一種固體廢棄物處理處置及資源化的途徑，由于其基費(fèi)用低，耗能少，生物產(chǎn)品（VFA，生物氣體等）可回收利用等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)關(guān)注與研究[37, 75]。由于傳統(tǒng)剩余污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷過(guò)程中有機(jī)質(zhì)碳源較低，研究者逐漸把揮發(fā)性脂肪酸產(chǎn)生和積累作為污泥厭氧發(fā)酵的產(chǎn)品產(chǎn)甲烷相比，VFA 的附加值更高、實(shí)際用途更加廣泛[76]，即可進(jìn)入產(chǎn)甲成甲烷氣體，又可當(dāng)作外加碳源用于強(qiáng)化傳統(tǒng)生物處理工藝的脫氮除磷效用于生物塑料（PHA）的合成，也還用于生物發(fā)電（圖 1-1）。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文余污泥產(chǎn)能源氣體氣體（甲烷）作為最終產(chǎn)品是傳統(tǒng)剩余污泥厭氧發(fā)酵的目標(biāo)，經(jīng)過(guò)水解、酸化、乙酸化和產(chǎn)甲烷階段產(chǎn)生甲烷，甲烷又可為剩酵工藝提供能量，從而減少厭氧處理工藝總體成本，實(shí)現(xiàn) “以廢污水廠污泥集中處置項(xiàng)目為例（圖 1-2），剩余污泥進(jìn)入料倉(cāng)后理，經(jīng)過(guò)熱水解系統(tǒng)、厭氧消化系統(tǒng)、脫水干化系統(tǒng)等主體單元潔能源沼氣，并且將污泥減量 60%以上，產(chǎn)生的沼氣可為工藝厭氧消化系統(tǒng)供熱，極大降低了污泥處置成本，厭氧消化后脫水場(chǎng)覆蓋用土，整體工藝基本實(shí)現(xiàn)了污泥的完全資源化利用[77]。剩余污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷的首要限速步驟，所以污泥厭氧發(fā)酵甲泥預(yù)處理技術(shù)，以強(qiáng)化污泥固相中有機(jī)碳源的甲烷化效率，近年污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷資源化利用研究詳見(jiàn)表 1-8。

分別考察在不同發(fā)酵溫度（25°C、35°C和55°C）下和不同生物固體停留時(shí)間下，酶溶剩余污泥發(fā)酵體系中VFA的積累規(guī)律；分析發(fā)酵過(guò)程中發(fā)酵體系顆粒粒徑變化和上清有機(jī)質(zhì)含量變化特性；考察發(fā)酵溫度、固體停留時(shí)間等發(fā)酵影響因素對(duì)產(chǎn)酸微生物群落演替的作用影響，分析發(fā)酵過(guò)程中微生物多樣性和產(chǎn)酸群落分布的均勻度，揭示酶溶污泥有機(jī)質(zhì)產(chǎn)VFA的微生物產(chǎn)酸途徑和作用機(jī)制；分析pH、ORP以及VFA積累等發(fā)酵限制因素對(duì)產(chǎn)酸微生物群落組成之間的聯(lián)系，揭示發(fā)酵系統(tǒng)中發(fā)酵影響因素與微生物群落結(jié)構(gòu)的關(guān)系及發(fā)酵產(chǎn)酸特性。（3）外加碳源調(diào)質(zhì)強(qiáng)化酶溶污泥發(fā)酵產(chǎn) VFA 的效能。通過(guò)外加碳源（玉米秸稈、豬糞）提高產(chǎn)酸發(fā)酵體系中的底物 C/N 比，強(qiáng)化酶溶污泥產(chǎn)酸發(fā)酵的效能，分析外碳源投加對(duì)產(chǎn)酸發(fā)酵體系 VFA 的積累效能，闡明發(fā)酵底物 C/N 比調(diào)整對(duì)產(chǎn)酸發(fā)酵體系中微生物群落結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化和生物多樣性的影響，揭示外碳源調(diào)質(zhì)酶溶污泥產(chǎn)酸發(fā)酵的效能與微生物多樣性的關(guān)系。1.6.2 技術(shù)路線本論文的研究技術(shù)路線如圖 1-3 所示。

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