基于铁/铁--碳投加强化污泥厌氧消化及其机制研究

摘要

厌氧消化是实现污泥减量化、稳定化、资源化的关键技术之一，近年来，大量研究报道了零价铁对污泥厌氧消化的强化作用。为进一步实现零价铁在强化污泥厌氧消化方面的实际应用，系统研究了不同含固率的剩余污泥、微波预处理污泥和高温热水解污泥在低、高投加量下微米级零价铁对其中温厌氧消化的强化作用及其机制。 研究结果表明:(1)零价铁投加主要作用在于促进不同类型污泥在厌氧消化前期产甲烷速率，如微波预处理后污泥厌氧消化的产甲烷速率可提高11.02％（反应第2d），高温热水解污泥厌氧消化初期(1～11 d)产甲烷速率较对照组提高13.55％;(2)产甲烷速率的提升与零价铁投加后导致溶解性有机物的释放及挥发性脂肪酸(volatile fatty acids，VFAs)的分解有密切关系，如微波预处理后污泥厌氧消化初期，溶解性蛋白质释放量提高较单独预处理组提高21.16％;(3)零价铁易与磷酸盐、硫化物发生沉淀反应，这可能是零价铁对污泥厌氧消化产甲烷潜势的强化作用有限的重要原因。 在非稳定状态下，如何快速恢复厌氧消化系统产甲烷效率尤为重要。本研究验证了零价铁在具有氨氮抑制条件下，能在抑制阶段明显加快产甲烷恢复速率，使厌氧消化提前15天结束。在氨氮抑制状态下，大量挥发性脂肪酸累积，零价铁的投加可以加快VFAs的降解，促进反应进行。零价铁投加后，溶解态铁含量较对照组增加48.60％，该过程增加了功能微生物（产甲烷古菌，Methanosarcina）相对丰度的提升，使厌氧消化过程快速恢复。 铁-碳组合投加在恢复氨氮抑制状态下的产甲烷菌活性方面具有强化作用。结果表明:铁联合活性炭、石墨以及铁-碳合成材料相比于单独零价铁投加可以进一步提高氨氮抑制组产气效率，使产甲烷反应迟滞时间相比于单独加铁组缩短66.67％、61.01％和59.54％，缓解抑制，这可能与铁-碳组合增加微生物间电子传递效率有关，并且铁-碳联合投加后，可降低厌氧系统内氧化还原电位和电导率，有利于产甲烷微生物相对丰度提升，利于产甲烷过程进行。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1研究背景

1．2污泥处理处置技术

1．2．1厌氧消化技术

1．2．2好氧发酵技术

1．3．1预处理

1．3．2提高污泥含固率

1．3．3协同厌氧消化

1．3．4其他材料投加

1．4零价铁对污泥厌氧消化的影响

1．4．1国内外研究进展

1．4．2铁强化污泥厌氧消化机制

1．5铁碳组合对污泥厌氧消化的强化作用

1．6研究目的及内容

1．6．1研究目的及意义

1．6．2研究内容

1．6．3技术路线

第二章材料与方法

2．1实验装置

2．1．1产甲烷潜势测试系统(BMP)

2．1．2微波预处理装置

2．2材料与方法

2．2．1污泥来源

2．2．2污泥进料方法及样品分析

2．2．3其他项目测试方法

2．3数据处理及计算公式

第三章零价铁对不同含固率污泥厌氧消化的影响

3．1前言

3．2试验设计

3．3结果与讨论

3．3．1污泥产甲烷潜势特征

3．3．2有机物的变化

3．3．3 pH和氨氮的变化

3．3．4铁的迁移转化分析

3．3．5污泥上清液铁元素的变化

3．4本章小结

第四章零价铁和微波预处理组合强化污泥厌氧消化

4．1前言

4．2试验设计

4．2．1实验材料

4．2．2实验方法

4．3结果与讨论

4．3．1污泥产甲烷潜势特征

4．3．2零价铁对有机物的影响

4．3．3铁的迁移转化分析

4．3．4铁元素的分布

4．4本章小结

第五章零价铁对热水解前后污泥厌氧消化的影响

5．1前言

5．2实验设计

5．3结果与讨论

5．3．1原泥和热水解污泥产甲烷潜势特征

5．3．2有机物的变化

5．3．3 pH、氨氮和TIC的变化

5．3．4铁的迁移转化分析

5．3．5铁元素的分布

5．3．6三元缓冲体系

5．3．7古菌群落结构变化

5．4本章小结

第六章零价铁对不同氨氮浓度污泥厌氧消化的影响

6．2实验设计

6．3结果与讨论

6．3．1污泥产甲烷潜势特征

6．3．2有机物的变化

6．3．3 pH、氨氮、TIC和碱度的变化

6．3．4铁的迁移转化分析

6．3．5铁元素的分布

6．3．6古菌群落结构变化

6．4本章小结

第七章铁碳组合对高氨氮浓度污泥厌氧消化的影响

7．1前言

7．2实验设计

7．3结果与讨论

7．3．1污泥产甲烷潜势特征

7．3．2有机物的变化

7．3．3 EC、ORP、氨氮、pH和TIC的变化

7．3．4铁碳组合对正磷酸盐、硫酸盐的影响

7．3．5铁元素的分布

7．3．5古菌群落结构变化

7．4本章小结

第八章结论与展望

8．1结论

8．2展望

参考文献

发表论文及科研情况

致谢