MEC用于剩余污泥产氢产甲烷效能及微生物群落结构解析

摘要

城市污水处理厂产生了大量的剩余污泥，需要及时处理和处置，如不进行合理利用，不仅是一种资源的浪费而且将会造成污染。如何在处置污泥的同时又能有效地将其作为一种资源被利用将是今后污泥处理技术发展的方向。本研究采用优化的污泥预处理方法、经微生物电解池（MEC）系统和接种微生物的MEC来处理剩余污泥，打破了厌氧发酵处理剩余污泥不能有效利用蛋白质的瓶颈，以及丙酸积累对消化过程的抑制，同时在微生物群落结构上加以解析，该方法提高了剩余污泥的处理效能，为剩余污泥的资源化利用提出了新的途径。
　　通过提高剩余污泥中可溶性物质的含量，达到提高其处理效果，试验对几种预处理前后剩余污泥的各项指标进行分析，最终选择了简便易行，运行成本相对较低的碱预处理剩余污泥的方法，并通过试验确定了碱的最适投加量为7.27±0.35 mg NaOH/g VSS（即pH值为12）。试验结果表明，碱处理剩余污泥的最大甲烷产量及甲烷含量分别为362.2 mL/L·d和68.7％，产能效果显著高于未处理污泥。同时，碱处理污泥VSS的去除率也由原始的61.5±2.0%升高到了76.4±0.5%，蛋白的去除量由原始的4830±480 mg/L升高到6530±430 mg/L，污泥处理效能显著提高。碱处理组与未处理组污泥比较，微生物群落结构均有较大差别。从细菌门的分类来看，未处理剩余污泥实验组的测序结果是Nitrospirae最多，Proteobacteria和Firmicutes其次；碱处理的则是Chloroflexi最多，Firmicutes其次。而从细菌属的分类来看，碱处理组和未处理组都是Iamia最多。但未处理组是Rhodobacter其次；碱处理是 Petrimonas其次。古菌的微生物群落则是完全不同。未处理剩余污泥的古菌群落中是 Methanosaeta最多占总数的将近一半；而碱处理剩余污泥则是Methanosarcina最多，占总古菌的一半以上。微生物群落结构的差异是未处理与碱处理的剩余污泥厌氧发酵的效果不同的重要原因。
　　采用厌氧发酵法处理剩余污泥时，有大量的蛋白类有机物不能被充分降解和利用，本研究便将MEC用于处理剩余污泥，以碱处理和未处理污泥作为对比，并将污泥样品分别与PBS缓冲液按不同比例混合，得到不同浓度的污泥溶液，当污泥浓度为16g COD/L时，利用MEC处理剩余污泥碱处理组氢气的产量和产率分别为14.22±0.39 mg-H2/g-VSS和0.47±0.02 m3-H2/m3·d，并且碱处理组污泥氢气产量占总气体量的57.38%。MEC处理剩余污泥碱处理组甲烷的产量和产率分别为92.38±2.63 mg-CH4/g-VSS和0.235±0.005 m3-CH4/m3·d。在污泥浓度为16g COD/L的条件下，MEC用于剩余污泥产氢和产甲烷的能力得到提高。从微生物群落结构解析来看，利用MEC处理剩余污泥细菌群落的优势菌属为 Geobacter和Petrimonas。而从古菌属的水平上来看，在MEC系统中的优势古菌为Methanomicrobia中的Methanocorpusculum，其次是 Methanosaeta，尤其是Methanocorpusculum在碱处理的条件下较多，这说明该菌属适宜在碱性条件下存活。
　　本研究为了更好的处理剩余污泥采用了接种微生物 MEC的方法处理剩余污泥，分别接种了利用传统厌氧发酵法处理剩余污泥时产甲烷效果较好的污泥，并用UASB工艺下处理丙酸合成废水时产氢效果较好的污泥来对MEC系统进行强化产氢和产甲烷。其结果是当污泥浓度为15g COD/L时，碱处理组氢气的产量为33.40±1.30 mg-H2/g-VSS，甲烷产量为309.43±0.85 mg-CH4/g-VSS，都分别高于利用MEC处理剩余污泥。在利用接种微生物MEC处理剩余污泥时，除氢气和甲烷的产量和产率外，污泥TCOD、蛋白，以及各固体指标的去除率都得到了强化。从微生物群落结构来看，细菌主要是集中在Proteobacteria，Firmicutes和Bacteroidetes等三个菌门，而从细菌属水平来看，是 Deltaproteobacteria中的Geobacter和Desulfuromonas为主要的微生物。这些微生物除与污泥减量相关外，还与生物电化学系统中电流的产生有关。而从古菌的微生物群落结构看主要还是Methanosaeta与 Methanocorpusculum占绝对优势，表明嗜氢型产甲烷菌通过间接电子转移途径产甲烷。

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第1章 绪 论

1.1课题来源

1.2本课题的研究背景、目的和意义

1.3剩余污泥预处理研究进展

1.4剩余污泥厌氧发酵研究进展

1.5微生物电解池（MEC）系统及工作原理

1.6本文的研究内容

第2章 材料与方法

2.1剩余污泥预处理技术及厌氧发酵装置

2.2微生物电解池（MEC）系统

2.3分析检测方法

2.4微生物群落结构解析

第3章 碱处理对剩余污泥厌氧发酵的影响

3.1引言

3.2剩余污泥预处理方法的选择

3.3碱处理对剩余污泥厌氧发酵的影响

3.4碱处理剩余污泥厌氧发酵微生物群落结构解析

3.5本章小结

第4章 MEC处理剩余污泥产氢产甲烷及功能微生物群落结构解析

4.1引言

4.2 MEC阳极生物膜的富集

4.3 MEC处理剩余污泥产氢效能分析

4.4 MEC处理剩余污泥产甲烷

4.5本章小结

第5章 接种微生物对MEC系统产氢产甲烷的影响

5.1引言

5.2接种微生物来源及剩余污泥特性

5.3接种微生物强化MEC处理剩余污泥产氢

5.4接种微生物强化MEC处理剩余污泥产甲烷

5.5本章小结

结论

建议和展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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