剩余污泥预处理对微生物电解污泥发酵液产氢影响研究

摘要

微生物电解池（MECs）由微生物燃料电池发展而来，具备能量输入低（与电解水产氢相比）、氢气产率高的特点。MECs主要利用乙酸盐产氢，但如何利用MECs处理实际废物且同步获得氢气成为目前研究的热点。剩余污泥的处理与处置是污水处理厂处理污水的同时急待解决的难题，传统厌氧处理污泥存在的问题是周期长、碳源转化速率慢、能源（甲烷）回收率低等。针对上述问题，提出了有效的污泥预处理方法-强化发酵产酸-微生物电解回收氢能的处置思路，将分别提升剩余污泥中的有机质水解酸化效率、强化挥发酸最适底物产量、提高氢气转化回收效率，从而实现剩余污泥梯级利用的高效碳源转化产氢新方法探索。
　　本研究针对不同常用预处理方法制备污泥发酵液性质分析，主要针对发酵液有机物成分优化并确定在MECs反应器产氢工艺中不同有机质组分转化效能。实验结果表明，MECs反应器利用蛋白类物质产氢，在外加电压0.8Ⅴ条件下，蛋白质初始浓度800mgCOD/L时产氢率最高（0.3±0.015ml/mg COD）；发酵液中不同挥发酸组分对MECs产氢影响密切，丙酸积累不利于MECs反应器产氢，而丁酸积累则相对有利于MECs氢气产量提升。MECs处理污泥发酵液在初始pH值6.5、外加电压0.8Ⅴ以及电导率为8时，MECs产氢率最高。对于发酵液的离子含量决定的缓冲能力和电导率进行分析发现，碱预处理后产生的发酵液电导率能够提高从而有利于MECs产氢效率提升；适当磷酸盐（PBS）调节可有效的提高MECs反应器的运行效能。对于发酵过程产酸带来的酸化影响，通过酸性pH值冲击实验发现，pH＜5的酸性冲击会导致MECs产氢效率降低，产甲烷率增加。待pH恢复到中性后，MECs反应器中的微生物在反应器受到酸性冲击后多样性增加，而对于阳极菌群中胞外电子传递菌为优势菌的高效产氢反应器，在去除短暂酸性冲击后细胞色素C基因相关菌群能够较快恢复为优势菌，而与碳利用相关的功能基因中降解简单碳源功能基因变化最为显著。
　　通过比较热预处理、碱预处理和热碱联合预处理污泥发酵液接种MECs反应器运行效能和产氢效率，发现热碱联合预处理污泥发酵液各种VFAs释放更充分，发酵液在MECs中乙酸利用率最高；污泥发酵液氢气回收效率分析表明热碱联合预处理污泥发酵液联合MECs产氢过程获得氢气回收效率最高，单位污泥氢气产量34.4±4.1mLH2/gVSS，每日氢气产量为19.3±2.3mLH2/d。按照不同预处理发酵液的MECs产氢效率的大小比较：热碱联合预处理＞热预处理＞碱预处理＞未预处理污泥。
　　针对MECs处理污泥发酵液产甲烷对MECs氢气回收率损耗影响，提出了通过污泥预处理过程增加适量微氧曝气形成对MECs中产甲烷菌有效抑制的方法，结果证明了短期曝气有效提高MECs处理污泥发酵液回收氢气。一方面，通过污泥预处理过程中适当微氧曝气预处理可以提升剩余污泥水解过程的有机物释放，结果证明了碱处理条件增加适量微氧预处理更有利于污泥发酵液中总挥发性脂肪酸（TVFAs）的积累。另一方面，MECs利用污泥发酵液产氢运行阶段，在序批式运行过程直接采用对MECs生物膜短期（10min）空气暴露方式可有效抑制甲烷的产生，产氢回收率提高60％，氢气产率达到1.3mL H2/mL反应器/d。通过高通量测序发现，通过微氧-热碱联合预处理制备剩余污泥发酵液联合单室MECs反应器产氢过程的微生物群落结构变化以厌氧发酵菌群最为显著，结果表明β-Proteobacteria、Legionella和Clostridium为MECs反应器运行过程中主要的微生物菌群，其中Clostridium从启动时的4.1%增加到产氢阶段的19.3%，Solobacterium增加至10.5%；与微生物电极系统电子传递过程密切相关β-Proteobacteria略有降低，在反应器产氢效率最高时β-Proteobacteria占21.3%。研究结果初步揭示了体系氢气回收效率与剩余污泥发酵液联合微生物电解产氢过程厌氧发酵菌群与MEC电极功能菌群的相互作用过程的内在关联。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 剩余污泥厌氧发酵制氢技术

1.3 微生物电解产氢的研究现状

1.4 微生物电解产氢面临的问题与挑战

1.5 本文研究内容和技术路线

第2章 实验材料与方法

2.1 实验材料及设备

2.2 实验装置及运行参数

2.3 分析检测方法

2.4 微生物电解产氢反应器性能评价指标

2.5 微生物群落结构解析

第3章 污泥发酵液微生物电解产氢特性

3.1 引言

3.2 发酵液成分对微生物电解产氢转化率影响

3.3 发酵液pH值对微生物电解产氢影响

3.4 发酵液电导率对氢气转化率的影响

3.5 本章小结

第4章 污泥预处理对发酵液对微生物电解产氢影响

4.1 引言

4.2 不同预处理污泥发酵液在微生物电解池中转化规律

4.3 不同预处理污泥发酵液能量回收效率分析

4.4 本章小结

第5章 微氧-热碱联合预处理条件下发酵液微生物电解产氢分析

5.1 引言

5.2 微氧对污泥预处理及发酵液性质的影响

5.3 微氧抑制电极生物膜菌群产甲烷提高微生物电解产氢收率的机制

5.4 不同预处理污泥发酵液微生物电解池产氢效能比较分析

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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致谢

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