城市污水处理厂污泥厌氧消化强化技术研究

摘要

随着我国生活污水处理率的不断提高，剩余污泥产量急剧增加，对环境的影响日益严重。传统的污泥厌氧消化工艺是污泥处理的重要方法之一，这一技术虽然在有效处理污泥的同时可实现碳质能源的再利用，但存在占地面积大、产气率低、厌氧消化周期长等问题，从而导致污泥稳定化速率慢、碳转化效率低。针对上述问题，本论文结合城市污水处理厂剩余污泥主要由微生物组成的特点，分别从提高微生物代谢活性、消除厌氧消化代谢产物抑制性影响及破坏细胞膜促进易降解胞内细胞质释放的预处理角度，研究了添加辅酶NADPH对污泥厌氧消化性能的影响，探讨了在污泥厌氧消化体系中投加不同铁盐的作用效果，分析了热及热碱提高污泥厌氧消化反应速率、沼气品质和加快污泥稳定化速率的有效性。在此基础上，比较了多种处理及多种方法耦合作用的效果，同时还对有关方法的作用机理进行了分析。主要研究结果如下：
　　（1）还原型辅酶NADPH能有效提高污泥厌氧消化性能。在污泥含固率3%、消化温度35℃条件下，NADPH添加量为50mg/L时，污泥厌氧消化产沼促进效果最佳，累积产甲烷量和产氢气量分别达到116.96mL/gVS和0.269mL/gVS，与对照组（未添加辅酶的原泥）相比，分别提高了11.12%和19.57%，同时厌氧消化后污泥VS去除率为40.49%，达到稳定化水平，而对照组仅为35.73%。
　　（2）污泥初始pH值和反应温度对添加了NADPH的厌氧消化性能的影响。结果表明，在初始pH=8.5、NADPH添加量为50mg/L的条件下，累积产气量最高，在16d内即达到124.18mL/gVS，甲烷含量可达75%以上。不同反应温度下，55℃时污泥厌氧消化累积产甲烷量可达到145.38mL/gVS，而在35℃和20℃条件下，累积产甲烷量分别为92.74mL/gVS和25.33mL/gVS，分别为高温（55℃）条件下累积产甲烷量的63.79%和17.42%。在pH=8.5、高温和含固率为3%条件下，单位VS污泥厌氧消化产气效果最佳。
　　（3）污泥厌氧消化过程实际反应速率采用动力学方程0(1 kht)G??M?e?描述。基于实验结果，添加50mg/L NADPH、pH=8.5和55℃条件下的动力学方程可分别表述为G=1401(1-exp(0.14218t))、G=1989(1-exp(-0.13583t))和G=2080(1-exp(0.13251t))。三者联合作用下，有利于提高厌氧消化反应速率，其理论甲烷产量可达187mL/gVS。
　　（4）比较了多种铁盐添加对污泥厌氧产沼气效果的影响，发现投加FeCl3对污泥厌氧消化产沼气促进效果最佳，与对照组相比，其单位 VS产甲烷量提高了一倍；而投加Fe(NO3)3和Fe2(SO4)3的处理组，抑制了产甲烷菌的活性，其累积产甲烷量仅为对照组的10%和79%。
　　（5）FeCl3最佳投加量需控制在400mg/L以内，累积产甲烷量随投加量的增加而增加，最高为对照组的3.2倍。当投加量达到800mg/L（含）以上时，污泥厌氧消化产甲烷过程被完全抑制。FeCl3最优投加时段为试验开始后72h，累积产甲烷量达90mL/gVS，为对照组的6.2倍。反应体系pH均比对照组提前达到产甲烷菌所需的理想生存环境。
　　（6）甲烷八叠球菌（Methanosarcina）是污泥厌氧消化反应器内的优势菌种，通过高通量基因测序技术，发现其在对照组、Fe(NO3)3组、Fe2(SO4)3组和FeCl3组所占比例分别为35.3%、2.7%、31.4%和63.2%。FeCl3组所占的比例最高，该体系所呈现出的产甲烷性能最优，说明 FeCl3中铁离子不仅起到减轻硫化氢抑制的作用，同时也定向优化了厌氧产甲烷菌群的结构。
　　（7）热及热碱预处理可明显提高污泥厌氧产沼可利用基质浓度，经过70℃、90℃和120℃的热处理后，SCOD分别增加了72倍、74倍和82倍，而热碱预处理（pH=11）后的污泥SCOD分别增加了96倍、112倍和132倍；70℃、90℃和120℃热预处理后的污泥VFA浓度分别增加了16.3倍、17.6倍和18.3倍，而热碱预处理后的污泥VFA浓度分别增加了31.2倍、34.1倍和43.3倍。
　　（8）经120℃热碱预处理后，污泥累积产沼气量在45d内达672mL/gVS，比对照组提高了69.7%，日均产沼速率随时间的延长先升高后降低，甲烷含量随时间的延长，从开始的53.8%上升到71.6%。经过45d后，热碱预处理组VS去除率为53.1%（对照组仅为38.9%），提前17d达到美国EPA规定的污泥稳定化标准。
　　（9）通过添加还原型辅酶 NADPH、FeCl3以及120℃热碱预处理的联合作用，污泥厌氧消化系统的甲烷产量为161.1mL/gVS，比对照组增加了2.25倍。在相同反应条件下，热碱预处理与投加FeCl3的污泥厌氧消化产沼效果要优于添加 NADPH的处理。

目录

声明

第一章 绪论

1.1研究背景

1.2现有污泥处理处置方式

1.3污泥厌氧消化技术研究进展

1.4课题研究意义与主要内容

1.5技术路线

第二章 实验材料与方法

2.1实验材料与测试指标

2.2实验方法与设计

第三章 NADPH对污泥厌氧消化性能的影响

3.1 NADPH添加量对污泥厌氧消化性能的影响

3.2初始pH值对NADPH促进污泥厌氧消化性能的影响

3.3反应温度对NADPH促进污泥厌氧消化性能的影响

3.4 NADPH促进污泥厌氧消化机理分析

3.5污泥有机物降解产甲烷反应动力学过程研究

3.6小结

第四章 铁盐对污泥高温厌氧消化性能的影响

4.1铁盐种类对污泥高温厌氧消化的影响

4.2 FeCl3投加量对污泥高温厌氧消化性能的影响

4.3 FeCl3投加时段对污泥高温厌氧消化性能的影响

4.4铁盐投加促进污泥高温厌氧消化性能的机理分析

4.5小结

第五章 热碱预处理对污泥厌氧消化性能的影响

5.1热及热碱预处理对污泥性质的影响5.1.1预处理体系中pH变化

5.2热碱预处理对污泥厌氧消化性能的影响

5.3小结

第六章 多种方法耦合作用对污泥厌氧消化性能的影响

6.1不同处理方法对产气的影响

6.2不同处理方法对pH的影响

6.3不同处理方法对SCOD、N和P的影响

6.4不同处理方法对VS的影响

6.5不同处理方法对蛋白质和多糖的影响

6.6小结

第七章 总结与展望

7.1主要结论

7.2创新点

7.3展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的科研论文及申请专利

致谢