超声联合游离亚硝酸预处理技术提高污泥厌氧发酵产氢的研究

摘要

污水处理厂(WWTPs)在防止环境污染上扮演着重要的角色，活性污泥法作为其处理污水的核心技术，能够将污水中35%-65%的有机物通过分解代谢和同化作用转化为二氧化碳和水。因此，剩余活性污泥(WAS)已经成为污水处理过程中的主要副产物。另一方面，WAS中含有大量的有害物质，如果不及时进行正确处理，将会对我们人体健康和周围环境带来严重危害。除了这些有毒的物质，WAS同时富含大量有机物。其中大多数有机物可作为底物用于生物制氢。因此，利用剩余污泥生产氢气已经受到越来越多研究者的关注。　　近年来，随着污泥预处理技术的发展，在这些技术中，超声波预处理具有广阔的应用前景，这主要得益于其处理效率高并且不会对环境产生污染的优势。经过预处理后的污泥用于发酵产氢，已有研究者证实能够提高产氢量，但是在发酵产氢过程中获得的氢气很大程度上还是会被一些耗氢微生物所损耗，从而导致氢气的累积产量较低。本研究提出在超声(US)预处理污泥后，在酸性发酵系统中加入亚硝酸盐形成游离亚硝酸(FNA)预处理污泥产氢，可以有效提高氢气产量。此外，游离亚硝酸是一种经济的可再生的化学物质存在于厌氧发酵液中，因此，具有一定的经济性。　　实验结果表明：污泥经超声(2 W/mL，15 min)联合180mg/L亚硝酸盐预处理后，进行酸性发酵产氢实验(此条件下初始FNA浓度为1.0mg/L)。最大氢气产量达到24.81±1.24mL/gVSS，这一数值分别是单独超声预处理和单独1.0mg/LFNA预处理氢气产量的2.21倍和1.36倍。相关机理研究表明：US+FNA预处理对于污泥的裂解具有协同作用，并且能够提高可生物降解物质的释放。通过对产氢过程的机理研究发现：尽管US+FNA处理手段对污泥发酵产氢和耗氢阶段均有一定程度抑制作用，但对于耗氢过程的抑制作用更为严重。此外，所有的预处理方法都会在一定程度上抑制相关酶的活性，但是相比较产氢阶段，耗氢阶段涉及到的相关酶活性受到的抑制作用更为严重。最后，基于研究结果提出未来污水处理厂运行采用US+FNA的“闭环”概念图，该模式不仅在一定程度上提高了氢气产量同时提高了资源的利用效率。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1剩余污泥的研究现状

1.1.1 剩余污泥的产生

1.1.2 剩余污泥的特性

1.1.3 剩余污泥对环境的危害

1.1.4 剩余污泥的处理处置方法

1.1.5 剩余污泥的资源化利用

1.2污泥厌氧发酵产氢的研究现状

1.2.1 污泥厌氧发酵产氢机理

1.2.2 污泥厌氧发酵产氢影响因素

1.2.3 污泥厌氧发酵产氢存在的问题

1.2.4 污泥预处理产氢技术的发展

1.3超声联合游离亚硝酸预处理污泥产氢的研究背景

1.4本课题研究内容和研究目标

1.4.1 研究内容

1.4.2 研究目标

第2章 实验材料与测定方法

2.1实验材料

2.1.1 实验用泥

2.1.2 实验试剂

2.2实验分析指标和测定方法

2.2.1 常规指标检测方法

2.2.2 气体成分（氢气和甲烷）及含量的测定

2.2.3 挥发性脂肪酸（VFAs）的测定

2.2.4 三维荧光光谱分析

2.2.5 关健酶活性测定

2.3实验仪器设备

2.4统计分析方法

第3章 超声波联合游离亚硝酸预处理污泥产氢批次实验

3.1引言

3.1.1 实验设计与操作

3.1.2 计算方法

3.1.3 实验结果与分析

3.2本章小结

第4章 超声联合游离亚硝酸预处理提高发酵产氢的机理探究及意义

4.1引言

4.2超声联合游离亚硝酸预处理对污泥溶出阶段的影响

4.2.1 实验设计与操作

4.2.2 实验结果与分析

4.2.3 小结

4.3超声联合游离亚硝酸预处理对污泥厌氧发酵过程的影响

4.3.1 实验设计与操作

4.3.2 实验结果与分析

4.3.3 小结

4.4超声联合游离亚硝酸预处理对关键酶活性的影响

4.4.1 实验设计与操作

4.4.2 实验结果与分析

4.5联合预处理产氢的潜在运用

4.5.1 超声联合 FNA 预处理污泥产氢的理论意义

4.5.2 超声联合 FNA 预处理污泥产氢的现实意义

4.6本章小结

结论与展望

结论

课题创新性

展望

参考文献

附录A 攻读硕士期间所发表的学术论文目录

附录B 攻读硕士期间申请的专利

致谢