有机改性膨润土对剩余污泥与餐饮油脂联合厌氧消化性能的影响

摘要

随着我国污水处理设施建设的快速发展，城市污水的排放量也与日俱增，污泥作为市政污水厂净化污水的副产物，产量也发生了显著增长。厌氧消化能够以较低的成本获得有价值的生物质能，同时实现污泥减量化，稳定化和无害化处理。将含有高有机质含量的餐饮油脂添加到污泥中进行共消化，可以改善消化系统的C/N比，均衡营养物质，提高甲烷产率，克服单独厌氧消化时出现有机负荷过高系统酸化、污泥有机质不足等缺点。　　膨润土作为具备离子交换作用的矿物粉末，在各类研究中已被证明具有促进厌氧消化产甲烷、维持消化系统稳定的作用。膨润土尤其是有机改性膨润土对油脂具有良好的吸附性能，可以避免难代谢的长链脂肪酸（LCFA）包裹在微生物细胞表面，缓解其对生物代谢的抑制，并促进生物体对油脂的利用，强化污泥、油脂联合厌氧消化过程中甲烷气的产生。　　本文利用十六烷基三甲基溴化铵（CTMAB）和十二烷基苯磺酸钠（SDBS）两种表面活性剂分别对膨润土进行了有机改性，研究了天然膨润土和两种改性土对剩余污泥、餐饮油脂联合厌氧消化性能的影响和机理。总计开展了 4 批厌氧消化试验研究：有机改性膨润土对剩余污泥单独厌氧消化性能影响的研究，天然膨润土对污泥、油脂联合厌氧消化性能影响的研究，多种膨润土对污泥、油脂联合厌氧消化性能影响的研究，多种膨润土对污泥、油脂联合厌氧消化前期水解促进的研究。　　对于污泥单独厌氧消化，天然膨润土最多可使甲烷产率提高21%，SDBS改性膨润土最多提高 20%。其中，天然膨润土最适合用来改善污泥厌氧消化，因为它在低投加量下便能较好地促进产甲烷。天然膨润土和 SDBS 改性土表现出一定的氨氮吸附能力，有助于缓解氨抑制。试验还表明，天然膨润土的投加可以提高VFA中乙酸的占比。　　污泥/餐饮油脂配比（G/S，以VS计）=1工况的污泥、油脂联合厌氧消化有着较好的产甲烷表现，膨润土的投加对于产甲烷性能的提升不明显。在 G/S=2 的工况下，膨润土的投加对于产甲烷性能的提升较为明显，膨润土的投加最多使累积甲烷产量提高了89.6%。　　同样在G/S=2的工况下， CT MAB改性膨润土相比天然膨润土能够更好地促进甲烷产量，CTMAB改性膨润土在0.2g /gVS的投加量下使甲烷产量提高了56.8%。为探究膨润土对厌氧消化促进的机理，在 G/S=2 的工况下开展了针对底物水解进行研究的消化试验，发现天然膨润土的投加使消化前期（前3天）的SCOD提高了约 25%，多糖提高了 8.2%，蛋白酶活性提高了 26.3%。CTMAB改性土的投加使SCOD提高了17%，可溶性蛋白提高了20.5%，多糖提高了23.2%，蛋白酶活性提高了29.6%。SDBS改性土的投加使SCOD提高了51%，可溶性蛋白提高了59%，多糖提高了39.7%，蛋白酶活性提高了46.9%。天然膨润土和SDBS改性土分别加快了LCFA的积累速度约6.8%和176%。试验结果证明了在污泥、油脂联合厌氧消化中膨润土尤其是 SDBS 有机改性膨润土的添加有助于促进底物的水解。三维荧光光谱测试的结果表明三种膨润土的添加均提升了消化液中溶解性有机物的浓度，其中SDBS改性土的提升效果最明显，CTMAB改性土次之。根据微生物群落分析，天然膨润土向消化系统中的添加有助于提高微生物的群落多样性和群落丰富度， SDBS改性土有助于提高群落丰富度，CT MAB改性土的添加提高了古菌群落中乙酸代谢型产甲烷菌的比例，这对提高生物气中的甲烷含量很有意义。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 污泥与餐饮油脂

1.2. 1 污泥的性质及处置现状

1.2.2餐饮油脂的性质及处置现状

1.3 厌氧消化技术

1.3. 1 厌氧消化原理

1.3. 2 厌氧消化的影响因素

1.4 膨润土

1.4. 1 膨润土的结构及物化性质

1.4. 2 膨润土的种类及改性膨润土

1.4. 3 膨润土应用于厌氧消化的研究进展

1.5研究目标、意义和研究内容

1.5. 1 研究目标和意义

1.5. 2 研究内容

2 试验材料与测试方法

2.1试验材料与装置

2.1. 1 试验材料

2.1. 2 试验装置

2.2有机膨润土的制备与表征

2.2. 1 有机膨润土的制备

2.2. 2 膨润土及改性膨润土的表征

2.3分析测试方法

2.3.1常规指标的分析测试方法

2.3.2脂肪酸的测定

2.3. 3 动力学计算方法

2.3.4三维荧光光谱的测定

2.4试验设计

3 多种膨润土对剩余污泥单独厌氧消化性能影响的研究

3.1引言

3.2试验设计

3.3 试验结果与分析

3.3.1消化产生物气与产甲烷情况

3.3.2消化产甲烷动力学

3.3.3消化过程中pH、VFA的变化情况

3.3.4消化过程中氨氮、游离氨的变化情况

3.4 本章小结

4 膨润土原土对污泥与油脂联合厌氧消化性能影响的研究

4.1引言

4.2试验设计

4.3 试验结果与分析

4.3.1消化产生物气与产甲烷情况

4.3.2消化产甲烷动力学

4.3.3消化过程中pH、碱度和VFA的变化情况

4.3.4消化过程中氨氮的变化情况

4.3.5消化过程中多糖和溶解性蛋白的变化情况

4.3.6消化过程中蛋白酶活性的变化情况

4.4 本章小结

5 多种膨润土对污泥、油脂联合厌氧消化性能影响的研究

5.1引言

5.2试验设计

5.3 试验结果与分析

5.3.1消化产生物气与产甲烷情况

5.3.2消化产甲烷动力学

5.3.2消化过程中pH、碱度和VFA的变化情况

5.3.3消化过程中氨氮的变化情况

5.3. 4 消化过程中SCOD的变化情况

5.3. 5 微生物群落分析

5.4本章小结

6 多种膨润土对污泥、油脂联合消化前期水解促进的研究

6.1引言

6.2试验设计

6.3 试验结果与分析

6.3. 1 消化过程中SCOD的变化情况

6.3.2消化过程中溶解性蛋白、多糖和蛋白酶的变化情况

6.3.3消化过程中pH、VFA、LCFA的变化情况

6.3. 4 消化过程中氨氮、游离氨的变化情况

6.3. 4 消化液三维荧光光谱特性

6.3. 5 微生物群落分析

6.4 本章小结

7 结论及建议

7.1结论

7.2建议

参考文献

附录

A 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

B 作者在攻读硕士学位期间取得的科研成果目录

C 作者在攻读硕士学位期间参加的相关科研项目

D 学位论文数据集

致谢