污泥热水解结合高温厌氧消化技术小试试验及其产甲烷菌群落结构多样性研究

摘要

随着国家对环境污染治理的日益重视，城市污水厂的数量和规模不断增长，随之产生的污泥量也日益增多。污泥中含有丰富的有机质和氮、磷等植物营养性元素，但同时也含有重金属、致病菌等有毒有害物质，对污泥进行合理的处理处置已成为亟待解决的重要问题。厌氧消化是目前应用最广泛的污泥稳定化、资源化方法，随着国家可持续发展和环保法规的相继出台，该技术将有更加广阔的发展前景。本文以青岛市某污水处理厂的初沉污泥和剩余污泥为研究对象，结合CambiTM新型热水解预处理(ThermalHydrolysis Pre-Treatment—THP)技术，进行污泥热水解预处理后高温厌氧消化的小试试验，考察THP预处理技术对污泥高温厌氧消化性能的影响，同时结合分子微生物学技术，从微观角度对热水解结合高温厌氧消化污泥中产甲烷菌的群落结构进行研究。本文的主要研究结论如下：
　　(1)污泥经THP预处理后，平均粒径变小，有机质释放，有利于后续厌氧消化处理效率的提高。初沉污泥经过THP处理之后，污泥中大颗粒的有机物被水解成为小颗粒或小分子易降解的有机物，平均粒径由233.37μm缩小至129.17μm;剩余污泥经过THP处理之后，污泥中的有机物质得到有效的溶出，平均粒径由44.66μm缩小至9.07μm;经过THP处理后初沉污泥和剩余污泥的SCOD、溶解性碳水化合物和溶解性蛋白质的含量分别是处理前的13、95、19倍和29、45、19倍，污泥中溶解性有机物的含量得到提高。
　　(2) THP热水解可以有效改善污泥厌氧消化的产气性能，提高厌氧消化的产气量。THP热水解在不同反应温度对高温厌氧消化产气性能的影响表明:53℃条件下Pt(经过热水解的初沉污泥)较P（初沉污泥）、Wt(经过热水解的剩余污泥)较W（剩余污泥）厌氧消化单位VS累计产气量分别提高了21.93％和33.12％，P∶Wt(1∶3)和Pt∶Wt(1∶3)较P∶W(1∶3)的厌氧消化单位VS累计产气量分别提高了12.36％和16.28％;55℃条件下Pt较P、Wt较W厌氧消化单位VS累计产气量分别提高了19.96％和39.14％，P∶Wt(1∶3)和Pt∶Wt(1∶3)较P∶W(1∶3)的厌氧消化单位VS累计产气量分别提高了26.44％和31.13％。与53℃相比，55℃高温厌氧消化产气量更高，55℃厌氧消化条件下的P、Pt、W、Wt、P∶W(1∶3)、P∶Wt(1∶3)、Pt∶Wt(3∶1)的污泥厌氧消化单位VS累计产气量相比53℃分别提高了3.69％、2.00％、6.70％、11.52％、4.56％、17.66％和17.91％，且VSR、SCOD、溶解性碳水化合物和溶解性蛋白质的转化效率也都优于53℃。
　　(3)热水解污泥高温厌氧消化产气性能的提高与产甲烷菌优势菌种的种类、含量和群落结构的变化有关。以53℃和55℃为例，剩余污泥和经过THP热水解处理后的剩余污泥中产甲烷菌克隆文库的物种丰富度指数分别为2.07、1.81和2.32、1.81;剩余污泥经过THP处理后，其厌氧消化系统中产甲烷菌优势菌种的含量提高，53℃条件下产甲烷菌优势菌种的含量由72.92％增加到81.25％，55℃条件下产甲烷菌优势菌种的含量由12.50％提高到22.92％，优势菌种含量越高，污泥厌氧消化的产气量就越高;在53℃和55℃两种温度条件下，污泥厌氧消化系统中产甲烷菌优势菌种的种类和群落结构均发生变化，从而导致不同温度条件下污泥的产气性能发生改变。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 市政污泥的特性概述

1．1．1 市政污泥的形成及来源

1．1．2 市政污泥的性质和危害

1．2 污泥处理与处置技术

1．2．1 污泥处理技术

1．2．2 污泥处置技术

1．3 污泥厌氧消化技术

1．3．1 厌氧消化原理

1．3．2 厌氧微生物

1．3．3 厌氧消化的预处理方式

1．3．4 污泥厌氧消化工艺

1．4 污泥热水解预处理强化技术

1．4．1 热水解预处理技术的发展现状

1．4．2 Cambi热水解预处理技术

1．5 分子生物技术在生态学上的应用

1．5．1 分子生态学常用技术

1．5．2 产甲烷菌群的研究现状及进展

第2章 试验研究内容及方法

2．1 研究目的及意义

2．2 研究内容及方法

2．2．1 污泥热水解结合高温厌氧消化技术小试试验

2．2．2 污泥产甲烷菌群落结构多样性研究

2．3 试验方法

2．3．1 污泥热水解结合高温厌氧消化技术小试试验

2．3．2 污泥产甲烷菌群落结构多样性研究

2．4 试验仪器

第3章 THP预处理污泥高温厌氧消化试验研究

3．1 试验材料和方法

3．1．1 试验材料

3．1．2 试验装置

3．1．3 试验方法

3．1．4 分析与测定

3．2 试验结果及讨论

3．2．1 THP预处理对污泥的破解效果

3．2．2 THP预处理对高温厌氧消化产气性能的影响研究

3．3 本章小结

第4章 THP预处理结合高温厌氧消化污泥产甲烷菌的群落结构研究

4．1 试验材料与方法

4．1．1 样品来源与保存

4．1．2 污泥中产甲烷菌总DNA的提取

4．1．3 产甲烷菌引物设计

4．1．4 mcrA基因的PCR扩增

4．1．5 PCR产物的回收与纯化

4．1．6 mcrA基因克隆文库的构建

4．2 试验结果及讨论

4．2．1 基因组DNA检测

4．2．2 mcrA基因的PCR扩增及纯化结果

4．2．3 菌落PCR

4．2．4 53℃条件下污泥产甲烷菌mcrA文库的构建和RFLP分析

4．2．5 53℃条件下污泥产甲烷菌mcrA序列比对分析

4．2．6 55℃条件下污泥产甲烷菌mcrA文库的构建和RFLP分析

4．2．7 55℃条件下污泥产甲烷菌mcrA序列比对分析

4．2．8 温度对厌氧消化污泥产甲烷菌群落结构的影响

4．3 本章小结

第5章 结论与建议

5．1 结论

5．2 建议

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢