城市污水處理廠中剩余污泥因含有大量的磷而被視為磷回收的重要潛在資源,厭氧生物釋磷技術因其釋磷效果良好且經(jīng)濟,已成為當前研究的熱點之一。然而,關于如何提高剩余污泥厭氧釋磷中易反應磷形態(tài)量、厭氧釋磷過程中剩余污泥胞外聚合物(EPS)中磷形態(tài)及釋磷機制與細胞內聚磷菌代謝之間的關系、影響EPS吸收/釋放磷的主要因素卻較少報道;如何尋找到一種低成本的磷回收劑,減少傳統(tǒng)的化學藥劑(如氯化銨作為氮源)的投加量,對于實現(xiàn)剩余污泥厭氧釋磷液中磷的高效經(jīng)濟回收也至關重要。本文闡明了不同磷形態(tài)在剩余污泥中的分布規(guī)律,EPS在厭氧釋磷中作用,揭示了酸/堿預調節(jié)強化釋磷效果機制及鳥糞石結晶動力學機制。本文在以磷形態(tài)分級提取法(SMT法)探討剩余污泥中厭氧釋磷前后磷形態(tài)分布的變化。結果表明,無機磷(IP_s)是磷的主要組成成分,占總磷的87.82%,其中有77.50%是非磷灰石無機磷(NAIP_s),表征與鈣結合的磷灰石無機磷(AP_s)約占總磷的14.97%,是最穩(wěn)定的磷形態(tài);有機磷(OP_s)大多是通過污泥解體或微生物代謝釋放產(chǎn)生。經(jīng)核磁共振方法(~(31)P-NMR法)觀察到EPS中的磷主要以正磷酸鹽(ortho-P)、焦磷(pyro-P)和聚磷(poly-P)三種磷形態(tài)存在,厭氧處理促進細胞內磷釋放到上清液且在此過程中增加了EPS組分中磷含量,剩余污泥經(jīng)厭氧釋磷過程細胞內大部分長鏈聚磷被分解成短鏈聚磷和ortho-P,部分短鏈聚磷被EPS攔截而保留在EPS組分中。以燒杯實驗考查剩余污泥厭氧釋磷在不同溫度條件下的效能,確定最佳溫度條件,并揭示聚磷菌代謝與EPS中磷釋放/累積的關系。研究結果表明,污泥厭氧釋磷效能取決于微生物細胞和EPS組分中磷釋放效果,不同溫度下污泥中不同磷形態(tài)釋放效果不同。隨溫度的升高,NAIP_s和OP_s釋放率增大,AP_s釋放率因其與金屬離子產(chǎn)生沉淀而下降。污泥組分中磷形態(tài)變化主要受到聚磷菌代謝途徑的影響,以及EPS組分厭氧水解與吸附作用的影響。經(jīng)厭氧釋磷后污泥上清液中最高總磷濃度發(fā)生在15~oC且上清液中磷的積累量可用偽二級動力學擬合模型描述。當溫度高于25~oC,聚糖菌具有優(yōu)先吸收有機物的優(yōu)勢,代謝由聚磷菌代謝(PAM)向聚糖菌代謝(GAM)轉變;低溫環(huán)境不僅改變污泥EPS含量,更因EPS組分中多糖含量的增加導致吸附能力的提高和微生物的聚集,儲存在EPS組分中而不能釋放到液相中的多鏈磷增加;較高溫環(huán)境下EPS組分中胞外聚磷酸酶活性增強,由細胞內泄漏出的長鏈聚磷降解效果提高,利于EPS中磷的釋放;但極低溫度(5~o C)因抑制了微生物活性而不利于磷釋放。細胞組分和EPS組分對釋磷效能均有影響,且釋放途徑相互獨立,但細胞組分在厭氧釋磷效果中起決定作用,EPS在厭氧釋磷過程中起到動態(tài)貯磷的作用。應用酸/堿預調節(jié)強化剩余污泥厭氧釋磷效果,利用分子生物學手段探究經(jīng)酸/堿預調節(jié)后污泥絮體結構和微生物群落的變化,進而揭示厭氧過程中EPS中磷釋放/轉移機理及影響因素。實驗結果顯示酸/堿預調節(jié)可以強化厭氧釋磷效果,其厭氧釋磷效果取決于磷形態(tài)和pH值。酸預調節(jié)對于TP_L增加主要歸因于污泥組分中無機磷(NAIP_s和AP_s)的溶解釋放,而厭氧過程中NAIP_s的釋放及有機磷向無機磷的轉化導致堿預調節(jié)后污泥上清液中磷含量的大幅度升高。NAIP_s是最大磷釋放貢獻者,pH=10.0時有76.14%的磷釋放主要來自于NAIP_s的釋放;OP_s的釋放主要來自于微生物代謝及堿預調節(jié)對污泥絮體的瓦解。經(jīng)酸/堿預調節(jié)后EPS基質中的磷主要以有機磷形態(tài)存在,酸/堿預調節(jié)促進了污泥結構的破壞,增強了微生物群落的豐富度和多樣性,堿預調節(jié)后污泥群落豐富度高于酸預調節(jié),酸預調節(jié)降低了Proteobacteria和Firmicutes的相對豐度,由于有機質的降解經(jīng)堿預調節(jié)后優(yōu)勢門從Proteobacteria變化成Chloroflexi和Firmicutes。酸預調節(jié)(pH=5.0)可以改善剩余污泥經(jīng)厭氧釋磷所造成的脫水性較差問題,污泥毛細吸水時間與疏松結合EPS(LB-EPS)組分蛋白質/多糖含量比呈線性相關,確定pH=5.0,SE=800 kJ/kg TS這種酸預調節(jié)+低比能耗超聲聯(lián)合處理方式表現(xiàn)出更強脫水能力,毛細吸水時間僅為13.3 s。選擇新鮮/腐熟尿液與剩余污泥厭氧釋磷液作為替代藥劑,考查從污泥厭氧釋磷液與混合尿液同步回收其中氮和磷的可行性及回收效能,應用正交實驗確定最優(yōu)回收條件,并將結晶法耦合A/O工藝評估其回收前景。實驗結果證明從以上兩種富磷廢水中以鳥糞石結晶的形式回收其中的磷與氮是可行的,將混合尿液中10 d腐熟尿液/新鮮尿液體積投加比=10%,m_(N/P)=1.05(混合尿液與污泥厭氧釋磷液體積比=2.43%),m_(Mg/P)=1.2,pH=10.0,t=15 min確定為最優(yōu)回收條件,該反應條件下磷回收率可以達到90.76%,SEM和XRD圖譜分析結果顯示有明顯白色鳥糞石結晶體析出,且沉淀物特征峰與磷酸銨鎂標準特征峰一致。對鳥糞石結晶動力學研究中發(fā)現(xiàn),結晶過程僅發(fā)生均勻成核階段,在晶體生長過程中摩爾沉積率與相對過飽和度之間的關系成冪指數(shù)關系,鳥糞石結晶具有很大回收磷潛力,1 mL混合尿液與41.9 mL污泥厭氧釋磷液理論上可以回收182.3 mg鳥糞石沉淀,鳥糞石晶體純度為83.12%。并將結晶法回收磷耦合于模擬污水處理廠A/O工藝中證實應用優(yōu)化條件下污泥厭氧釋磷液與尿液回收鳥糞石具有工程應用前景,本研究成果可為實現(xiàn)剩余污泥中磷的回收提供技術支撐。
【學位單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：X703
【部分圖文】：

且 15oC 更有利于聚磷菌的代謝，Os 存在對 HAc 的競爭。同時，PHA 為成過程主要是由細胞內聚磷量所決定的境，25oC 時 PHA 含量是 35oC 時 PHA451.58 mg/L。在經(jīng)過 120 min 厭氧處理原作為分解釋放正磷酸鹽的能量來源，率，最大磷酸鹽釋放速率（Pr）在 2件下時最大磷酸鹽釋放速率最小為 12.1與聚磷含量有關，研究指出，污泥在厭存在[165,166]，但在 25oC 聚磷含量高達 時最小僅為 1.54%，說明當溫度較低時量較少，說明在此環(huán)境中聚磷水解較程中存在主導微生物由 PAOs 代謝向 GAOs 的厭氧糖原降解途徑而更利于olism）代謝。圖 3-11 表示應用 FISH 分釋磷處理 FISH 分析結果照片。

【參考文獻】

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本文編號：2819421