剩余污泥强化预处理及其厌氧产酸产甲烷研究

博士学位论文博士学位论文剩余污泥强化预处理及其厌氧产酸产甲烷研究STUDYONENHANCEDPRETREATMENTANDANAEROBICACIDIFICATIONANDMETHANATIONOFWASTEACTIVATEDSLUDGE刘亚利刘亚利哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2015年9月万方数据国内图书分类号：TU991.11学校代码：10213国际图书分类号：628.1密级：公开工学博士学学博士学位论文位论文剩余污泥强化预处理及其厌氧产酸产甲烷研究博士研究生：刘亚利导师：袁一星教授副导师：李欣副教授申请学位：工学博士学科：市政工程所在单位：市政环境工程学院答辩日期：2015年9月授予学位单位：哈尔滨工业大学万方数据ClassifiedIndex:TU991.11U.D.C:628.1DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringSTUDYONENHANCEDPRETREATMENTANDANAEROBICACIDIFICATIONANDMETHANATIONOFWASTEACTIVATEDSLUDGECandidate：LiuYaliSupervisor：Prof.YuanYixingDeputySupervisor：A.P.LiXinAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：MunicipalEngineeringAffiliation：SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineeringDateofDefence：September,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology万方数据摘要-I-摘要剩余活性污泥（WAS）是污水处理过程中产生的不可避免副产物，因其含有丰富的有机物，已成为廉价资源。厌氧消化产甲烷（CH4）是污泥资源化研究的热点之一。然而，在污泥厌氧消化过程中，有机物水解速率慢、产甲烷菌对环境敏感、污泥中碳氮比（C/N）不足等问题常导致产CH4过程失败。针对以上问题，本课题采用预处理技术加速污泥水解，同时构建厌氧序批式反应器（ASBR）和膨胀颗粒污泥床（EGSB）两相厌氧消化工艺实现污泥连续产酸产CH4。在产酸相，采用ASBR完成污泥中的碳源向短链挥发酸（SCFAs）的转化，并投加餐厨垃圾水解液对C/N进行调控，促进蛋白降解和SCFAs产生。在产CH4相，主要考察EGSB反应器处理污泥酸化液的产CH4效能，研究厌氧颗粒污泥培养驯化过程中，颗粒污泥特性及微生物群落结构的变化。首先，本课题研究了超声+碱、超声+β-环糊精和低温热水解三种预处理技术对WAS的破解效果，揭示其促进WAS溶胞的机理，并通过批次试验确定促进SCFAs积累的最佳预处理参数。结果表明：超声+碱和低温热水解有效地破坏了污泥的EPS结构，使污泥粒径从212µm快速降低至10µm左右；而在超声+β-环糊精预处理过程中，0.3g/gDS的β-环糊精导致破解污泥重新絮凝，粒径增大至160µm。三种预处理释放的有机物均以蛋白为主，腐殖酸类物质则随β-环糊精投加量的增加而增加。批次产酸试验表明，SCFAs产量与预处理释放的有机物浓度正相关，相应的SCFAs浓度从高到低的顺序为：超声+碱（2543.7mg/L）>超声+β-环糊精（2281.1mg/L）>低温热水解（1811.4mg/L）。本课题采用ASBR反应器对预处理污泥进行厌氧产酸研究，考察水力停留时间（HRT）对SCFAs的影响。研究发现，HRT=3d有利于促进SCFAs的产生，相应的SCFAs浓度维持在2200mg/L左右，乙酸和丙酸达到65%以上。针对WAS水解酸化过程中C/N不足、蛋白降解率低的问题，本课题采用餐厨垃圾水解液（150℃、30min）对超声+碱预处理污泥厌氧产酸过程进行调控。研究结果表明，污泥与餐厨垃圾体积比10:1可使SCFAs浓度从2099mg/L提高到7167mg/L。餐厨垃圾水解液改变了污泥厌氧发酵类型，乙酸和丁酸成为主要产物。对酸化液性质进行分析发现，污泥与餐厨垃圾体积比10:1万方数据哈尔滨工业大学博士学位论文-II-时，SCFAs所占的比例比未投加餐厨垃圾时提高了1.92倍，而蛋白所占的比例减少了三分之一。这证明适量的投加餐厨垃圾能够促进蛋白的降解，提高产酸效率。餐厨垃圾明显改变了ASBR反应器内水解酸化微生物群落结构。绿弯菌门（Chloroflexi）和变形菌门（Proteobacteria）门类的细菌分别降低至3.17%和8.48%，而拟杆菌门（Bacteroidetes）和厚壁菌门（Firmicutes）门类的细菌则分别提高到了43.