表面活性剂促进污水厂剩余污泥发酵生产短链脂肪酸的研究

摘要

短链脂肪酸(SCFAs)是污泥厌氧发酵过程的一种重要的中间产物，它也是脱氮除磷微生物优先利用的有机碳源；表面活性剂广泛存在于生活污水及污水处理厂的污泥中。本研究首次利用表面活性剂来促进污水厂剩余污泥发酵产酸，从而为提高污泥生物产酸提供了一种新的方法。 通过对比不同类型的表面活性剂对剩余污泥发酵产酸的影响发现，它们都可以促进污泥的发酵产酸。但在相同的环境条件和操作条件下，剩余污泥在阴离子表面活性剂作用下产生的SCFAs的浓度最高。因此选用阴离子表面活性剂作为研究对象，考察了阴离子表面活性剂促进剩余污泥发酵产酸的工艺条件和机理，以及剩余污泥在阴离子表面活性剂作用下的水解动力学和产酸动力学。 阴离子表面活性剂对剩余污泥厌氧发酵的影响表现为，在常温常压下，十二烷基硫酸钠(SDS)或十二烷基苯磺酸钠(SDBS)的加入均可以显著地提高剩余污泥的SCFAs产量。从污泥产酸量以及经济成本的角度考虑，SDS和SDBS的最佳投加量分别为0.1g/g和0.02g/g/，剩余污泥的SCFAs最大产量均出现在厌氧发酵的第6d。SDS或SDBS在促进剩余污泥发酵产酸的同时还促使污泥释放出大量的NH<,4><'+>-N和PO<,4><'3->-P。在整个厌氧发酵过程中，不论SDS或SDBS是否存在，剩余污泥的oH值都随着发酵时间的延长而升高；而且，投加SDS或SDBS的剩余污泥与空白试验中剩余污泥的pH值的变化趋势几乎相同。SDBS在促进剩余污泥发酵产酸的同时还起到了促使污泥减量的作用。环境条件对SDBS促进剩余污泥发酵产酸的影响为，酸性条件(pH=4.0～6.0)会降低剩余污泥发酵产酸的效果，而碱性条件(pH=8.0～11.0)则促进剩余污泥的发酵产酸；当发酵温度为15～35℃，剩余污泥浓度在6000～18000mg/L时，升高温度与增加污泥浓度都可以提高剩余污泥的总SCFAs产量。 以SDBS为例，考察了表面活性剂促进剩余污泥发酵产酸的机理。结果表明，SDBS促进了剩余污泥中颗粒态有机物的溶解、溶解态大分子有机物(蛋白质和碳水化合物)的水解以及水解后小分子有机物(氨基酸和单糖)的降解和酸化过程，并降低了产甲烷菌的活性。从而使得剩余污泥厌氧发酵过程的中间产物SCFAs得以大量积累。 通过对比灭菌污泥与不灭菌污泥的有机酸产量和水解酶的活力，证实了SDBS存在的条件下，剩余污泥产生的SCFAs主要是生物作用的结果。在整个厌氧发酵过程中，SDBS的降解可以忽略不计。因此，在SDBS的作用下，剩余污泥产生的SCFAs主要来源于剩余污泥中有机物的厌氧发酵，而并不是SDBS在厌氧条件下的自身降解。 在考察SDBS对剩余污泥中几种关键水解酶活力的影响时发现，一定剂量的SDBS可以提高剩余污泥中水解酶的活力。不论SDBS是否存在，水解酶的活力都随着发酵时间的延长而降低。 对剩余污泥在0.02g/g的SDBS作用下水解动力学的研究表明，当温度为15～35℃，不论SDBS是否存在，污泥中颗粒性蛋白质和颗粒性碳水化合物的水解过程都遵从一级反应动力学规律。然而，当0.02g/g的SDBS存在时，污泥中蛋白酶和α-葡萄糖苷酶的活力提高，从而使得颗粒性蛋白质和碳水化合物水解过程的活化能降低，因此蛋白质和碳水化合物的水解更容易进行。对剩余污泥产酸动力学的研究表明，空白试验中剩余污泥的发酵产酸过程可以用一级反应动力学方程描述；而在0.02g/g的SDBS作用下，污泥的发酵产酸过程可以用零级反应动力学方程描述。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题来源及研究背景和意义

1.1.1课题来源

1.1.2研究背景和意义

1.2污泥厌氧发酵的原理

1.3污泥厌氧发酵的研究现状和发展动态

1.3.1污泥厌氧发酵过程中的微生物

1.3.2参与污泥厌氧水解的关键酶

1.3.3污泥厌氧发酵过程的动力学

1.3.4污泥厌氧发酵的影响因素

1.3.5提高污泥水解速率的方法

1.3.6污泥发酵产酸用于提高生物脱氮除磷效果

1.4表面活性剂在环境领域中的应用

1.4.1表面活性剂的种类和性质

1.4.2表面活性剂在环境领域中的应用

第2章研究内容及测定方法

2.1试验内容

2.2试验装置

2.3试验用泥

2.4测试项目及分析方法

2.4.1 SCFAs的测定

2.4.2 碳水化合物的测定

2.4.3 蛋白质的测定

2.4.4 CH4气体的测定

2.4.5 水解酶活力的测定

2.4.6 SDBS的测定

2.4.7 其它测试项目及方法

第3章表面活性剂促进剩余污泥发酵产酸的工艺条件的研究

3.1不同表面活性剂对剩余污泥发酵产酸影响的比较

3.1.1试验方法

3.1.2结果与讨论

3.2阴离子表面活性剂对剩余污泥厌氧发酵的影响

3.2.1 SDS对剩余污泥厌氧发酵的影响

3.2.2 SDBS对剩余污泥厌氧发酵的影响

3.3剩余污泥在SDBS的作用下厌氧发酵过程中影响因素的研究

3.3.1 pH值对剩余污泥发酵产酸的影响

3.3.2.温度对剩余污泥发酵产酸的影响

3.3.3污泥浓度对剩余污泥发酵产酸的影响

3.4小结

第4章表面活性剂促进剩余污泥发酵产酸的机理研究

4.1 SDBS对剩余污泥中颗粒态有机物溶解的影响

4.1.1试验方法

4.1.2结果与讨论

4.2 SDBS对剩余污泥发酵液中溶解态大分子有机物水解及发酵产酸的影响

4.2.1试验方法

4.2.2结果与讨论

4.3 SDBS对发酵液中溶解态小分子有机物降解及发酵产酸的影响

4.3.1试验方法

4.3.2结果与讨论

4.4 SDBS对剩余污泥酸化产物甲烷化的影响

4.4.1试验方法

4.4.2结果与讨论

4.5 SDBS促进剩余污泥发酵产酸主要是生物作用还是化学作用的验证

4.5.1试验方法

4.5.2结果与讨论

4.6 SDBS对污泥水解酶活力的影响

4.6.1试验方法

4.6.2结果与讨论

4.7 SDBS在厌氧发酵过程中的自身降解

4.7.1试验方法

4.7.2结果与讨论

4.8表面活性剂促进剩余污泥发酵产酸的机理

4.9小结

第5章剩余污泥在表面活性剂作用下的水解动力学和产酸动力学

5.1剩余污泥厌氧消化的转化过程

5.2剩余污泥厌氧水解过程的动力学

5.2.1蛋白质的水解动力学

5.2.2碳水化合物的水解动力学

5.3剩余污泥产酸过程的动力学

5.3.1剩余污泥发酵产酸的反应级数

5.3.2剩余污泥发酵产酸的速率常数

5.3.3剩余污泥发酵产酸过程的活化能

5.3.4剩余污泥产酸过程的动力学方程及其验证

5.4小结

第6章结论与建议

6.1结论

6.2不足与建议

致谢

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果