游离氨辅助超声预处理提高污泥厌氧发酵产酸量的研究

摘要

当代中国的经济经历了迅猛的发展，人们的生活水平有了显著的提高，城镇生活污水的排放量也日益增大。因此，对污水处理厂(Wastewater treatment plants， WWTPs)也有了新的要求，处理的水量要增大，处理的程度要加强。在我国使用广泛的活性污泥法会产生很多剩余污泥，加重了污水处理厂的处理负担。将污泥减量化、资源化、无害化吸引了众多研究者的目光。本课题利用游离氨(Free ammonia， FA)辅助超声预处理提高污泥厌氧发酵生产短链脂肪酸(Short-chain fatty acid， SCFA)，一方面科学有效的处理了污泥，缓解了污水处理厂的压力，另一方面也使污泥得到了资源化的利用。本课题研究了以下几个方面的内容。　　首先，探究了游离氨辅助超声预处理对污泥厌氧发酵产生短链脂肪酸的影响。以最大产酸量为标准，在一定的超声预处理条件下，确定最佳的初始游离氨浓度。超声预处理技术具有无污染，能量密度高，分解速度快等优点，能够加速污泥分解，促进厌氧发酵短链脂肪酸的产生。然而，由于短链脂肪酸消耗者的高活性，短链脂肪酸的积累量是有限的。因而就限制了超声预处理在污泥厌氧发酵产酸方面的应用。因此，本研究提出了一种有效的战略，即利用游离氨来辅助超声预处理污泥提高厌氧发酵产酸量。实验结果显示，最佳的预处理条件是：先用2w/mL的超声密度处理15min，再用浓度为60mg/L的初始游离氨处理2天。此时短链脂肪酸的积累量达到最大316.7±14.9mgCOD/gVSS，分别是单独超声和游离氨预处理产酸量的2.2倍和1.7倍。通过对短链脂肪酸中各酸所占比例的分析发现，乙酸和丙酸的含量最多，这两种酸也是污水处理的首选碳源。　　其次，进行机理研究。通过探究游离氨辅助超声预处理对污泥发酵液中溶解性COD、VSS减量、蛋白质和多糖的影响发现，与单独的超声和游离氨预处理相比，游离氨可以辅助超声预处理加快污泥的溶出，使污泥释放出更多的有机物；通过三维荧光光谱(Excitation emission matrix，EEM)和荧光区域积分分析表明，与单独的超声和游离氨预处理相比，游离氨辅助超声预处理可以释放出更多可生物降解的有机物；通过配水实验和酶活性的测定表明，游离氨辅助超声预处理对水解微生物、酸化微生物以及产甲烷菌都有不同程度的抑制作用，但对产甲烷菌的抑制作用更强，有效的抑制短链脂肪酸的消耗，增加了SCFA的产生量。也就是说该方法可以抑制水解、酸化和甲烷化过程，但是对甲烷化的抑制高于水解与酸化。　　最后，对超声密度和时间进行优化，再对该方法实际应用于污水处理厂进行经济分析。通过对SCFA积累量的对比分析，确定可以把超声密度优化为1.5w/mL，以节约能耗。本文的研究成果还促进了超声预处理技术在实际环境中的应用，通过与传统的单独超声预处理污泥的处理模式比较，在污水日处理量为105m3的污水处理厂，采用游离氨辅助超声预处理提高污泥厌氧发酵产SCFA的方式从经济方面来看是划算的。由于游离氨是非离子形式的氨，可以在原位获得，因此利用游离氨辅助超声预处理剩余污泥生产短链脂肪酸具有良好的应用前景。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 选题背景

1.2 污泥的基本概况

1.2.1 污泥的产生

1.2.2 污泥的性质

1.3 污泥处理处置技术

1.3.1 传统的污泥处理处置技术

1.3.2 污泥减量新技术

1.4 国内外污泥厌氧发酵技术

1.4.1 污泥厌氧发酵原理

1.4.2 污泥厌氧发酵影响因素

1.4.3 厌氧发酵预处理技术

1.5 游离氨辅助超声预处理方法的提出

1.6 研究内容及意义

1.6.1 研究内容

1.6.2 研究的意义

第2章 实验材料与方法

2.1 实验污泥及基本性质

2.2 实验所用仪器

2.3 实验设计

2.3.1 污泥预处理和批次发酵实验

2.3.2 超声、FA 和超声-FA 预处理对污泥溶出及生物降解性的影响比较

2.3.3 超声、FA 和超声-FA 预处理对水解、酸化和甲烷化过程影响的比较

2.4 分析方法

2.4.1 污泥中总悬浮固体（ TSS）和挥发性有机物（ VSS）的测定

2.4.2 溶解性化学需氧量（溶解性 COD， SCOD）的测定

2.4.3 溶解性蛋白质的测定

2.4.4 溶解性多糖的测定

2.4.5 氨氮的测定

2.4.6 短链脂肪酸（ SCFA）的测定

2.4.7 三维荧光光谱（ EEM）

2.4.8 荧光区域积分（ FRI）的计算方法

2.4.9 关键酶的活性测定

2.5 统计分析

第3章 游离氨辅助超声预处理对污泥厌氧发酵产生短链脂肪酸的影响

3.1 引言

3.2 不同预处理条件下短链脂肪酸的产生量

3.3 短链脂肪酸中各酸所占的比例

3.4 本章小结

第4章 游离氨辅助超声预处理提高污泥厌氧发酵产酸量的机理研究

4.1 引言

4.2 游离氨辅助超声预处理对污泥厌氧发酵溶出的影响

4.2.1 游离氨辅助超声预处理对污泥发酵液中溶解性 COD 和

4.2.2 游离氨辅助超声预处理对污泥发酵液中蛋白质和多糖的

4.3 游离氨辅助超声预处理对释放的有机物生物降解性的影响

4.4 游离氨辅助超声预处理对水解、酸化和甲烷化过程的影响

4.5 游离氨辅助超声预处理对关键酶活性的影响

4.6 本章小结

第5章 游离氨辅助超声预处理技术提高污泥厌氧发酵产酸的潜在价值

5.1 引言

5.2 游离氨辅助超声预处理技术的超声密度和时间的优化

5.3 游离氨辅助超声预处理技术的实际应用

5.4 游离氨辅助超声预处理技术的经济分析

5.5 本章小结

结论与展望

参考文献

附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

附录 B 攻读学位期间申请的专利

致谢