剩余污泥及湿地刈割芦苇混配固态好氧发酵研究

摘要

由于我国工业化水平不断提升，人口密度不断提高，水污染问题日益严重，建设污水处理厂已成为治理水污染必不可少的措施。污水处理厂由于能够很好地处理大量的污水，有着较好的水污染防治作用而不断建立并运行，但是与此同时，在废水处理过程中，固体废物剩余污泥会大量产生。目前，剩余污泥的处理与处置已成为了我国急需解决的环境问题之一。另一方面，人工湿地污水处理技术的逐年推广，包括城市湿地公园、污水深度处理、分散式小型人工湿地等等，每年产生了大量的大型湿地植物如芦苇、鸢尾、美人蕉等生物质，刈割后大量的湿地植物有迫切的处理处置需求。因此，本研究选取典型大型湿地植物芦苇为代表，将芦苇作为污泥堆肥过程中的膨胀剂和碳源提供者，利用剩余污泥与刈割芦苇联合堆肥，对剩余污泥与刈割芦苇混合堆肥过程中理化指标的变化进行了测定并分析，旨在同时为剩余污泥与刈割芦苇提供一个废物资源化利用的解决方法。　　好氧堆肥过程十分复杂，与物理、化学和生物变化相关联，受温度、含水率、碳氮比、物料粒径等因素的影响。堆肥实验是研究堆肥过程，确定堆肥最佳工艺条件、缩短堆肥时间及堆肥产品质量的把控的必要手段。实际大型堆肥实验的开展需要耗费大量人力、物力和时间，且实验过程难控制，因此实验室堆肥反应器因其具有较小的体积，堆肥周期短，易实现自动化控制，操作简单等优点而被广泛应用。然而实验室堆肥反应器因其体积偏小，能容纳的有机基质数量有限，存在散热过快，保温性差，高温期短或环境温度偏低导致的发酵不充分的问题，使得其运行参数和堆肥状况与堆肥工程的实际运行状况有着明显差异。所以，采用实验室堆肥反应器实验必须深入探讨系统保温条件与措施。本研究通过一定的好氧发酵装置设计，以较小体积的有机固体废物物料还原大量物料条件下好氧发酵核心区域的热质传递过程，采用实时温度补偿反应器系统，以堆体中心温度为导向，使堆体的壁温随堆体中心温度的变化而变化，从而实现更准确、更真实的温度补偿，模拟在大型堆体中观察到的热效应。并对不同温度补偿方式(R1：室温，作为对照，R2：烘箱恒定30℃，R3-R5：实时温度补偿且加热阈值分别为30℃，50℃和70℃)对堆肥的影响进行了比较，寻求最佳温度补偿方式及阈值设置条件，进一步提供更稳定、可靠的基础数据和技术支持好氧发酵系统的实际操作，并应用该系统进行剩余污泥及刈割芦苇混配好氧发酵实验。　　堆肥过程中，对堆体的温度、氧气和二氧化碳排放量进行实时监测，通过堆肥物料中有机物含量、碳氮比、总有机碳、三维荧光光谱、傅立叶红外光谱、扫描电镜的测定分析来评估堆肥物料的理化特性，通过发芽指数、pH、电导率、总氮、总磷、总钾含量的测定评价堆肥过程中营养成分及安全性。采用16SrDNA高通量测序方法定量分析堆肥细菌群落的变化，并进一步构建了微生物群落演替与环境条件的交互关系。研究结果表明，保温策略对堆肥行为有显著影响，以堆体中心温度为导向的实时温度补偿可以提高堆肥的最高温度，延长堆肥高温期，提高堆体中心和边缘温度的一致性，其中采用实时温度补偿且加热阈值为70℃的R5堆肥效果最好。实时温度补偿策略可以有效提高堆体温度，从而提高厚壁菌门(主要为芽孢杆菌属)的活性，从而促进对堆肥有机物的降解，促进堆肥腐熟。五个堆体堆肥产品的碳氮比、发芽指数、pH、EC、电导率、总氮、总磷、总钾含量均符合堆肥要求，对植物无毒害作用，腐熟完全，三维荧光光谱及傅立叶红外光谱结果图同样可以直观的看出这一结论，说明剩余污泥及刈割芦苇混配固态好氧发酵的可行性。

目录

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第1章 绪论

1.1 城市生活污水污泥概况

1.1.1 污泥的产生

1.1.2 污泥特性及危害

1.1.3 污泥的处理与处置技术

1.2 芦苇资源及应用现状

1.2.1 芦苇资源现状

1.2.2 芦苇应用途径现状

1.3 固体废弃物堆肥化好氧堆肥技术概述

1.3.1 堆肥处理技术的原理

1.3.2 堆肥原料及堆肥添加剂

1.3.3 堆肥过程主要影响因素

1.3.4 堆肥微生物

1.3.5 堆肥技术的发展

1.4 本课题研究工作

1.4.1 研究背景

1.4.2 研究目的与意义

1.4.3 研究内容

第2章 实验设计及运行

2.1 实验设计

2.2 实验过程

第3章 实验材料与方法

3.1 实验材料

3.2 实验试剂与仪器

3.3 分析方法

3.3.1 实时监控项目

3.3.2 鲜样测定项目

3.3.3 烘干样品测定项目

3.3.4 冻干样品测定项目

3.4 数据处理

第4章 结果与讨论

4.1 堆肥理化特性研究

4.1.1 堆肥过程中温度的变化

4.1.2 堆肥过程中氧气及二氧化碳的变化

4.1.3 堆肥过程中有机物含量及碳氮比的变化

4.1.4 堆肥物料浸出液TOC的变化

4.1.5 三维荧光光谱分析

4.1.6 傅立叶红外光谱分析

4.1.7 扫描电镜分析

4.2 堆肥营养成分及安全性分析

4.2.1 堆肥过程中pH及电导率的变化

4.2.2 堆肥过程中的植物毒性变化

4.2.3 堆肥过程中三大营养元素含量的变化

4.3 堆肥过程中细菌群落研究

4.3.1 堆肥过程中细菌群落多样性和相似性分析

4.3.2 堆肥过程中细菌群落组成分析

4.3.3 堆肥过程中细菌群落结构与理化指标之间的相关性分析

结论与展望

结论

创新点

展望

参考文献

附录A 攻读学位期间发表的学术论文

致谢