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污泥基生物炭对污泥中温厌氧消化性能及微生物群落的影响研究

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第 1 章 绪 论

1.1 剩余污泥及其处理与处置

1.1.1 剩余污泥

1.1.2 剩余污泥处理与处置技术

1.2污泥厌氧消化处理及其强化

1.3 生物炭的制备与应用

1.3.1 生物炭的制备

1.3.2 生物炭的应用

1.3.3 生物炭强化厌氧消化及其机理

1.4 研究目的、意义及主要内容

1.4.1 研究目的与意义

1.4.2 研究内容

1.4.3 技术路线

第 2 章 实验材料和方法

2.1 实验材料与仪器

2.1.1 实验污泥和接种物

2.1.2 化学分析试剂

2.1.3 实验仪器

2.2 实验方法

2.2.1 污泥生物炭的制备

2.2.2 污泥厌氧消化产甲烷实验

2.3 取样及测定分析方法

2.3.1 取样方法

2.3.2 生物炭表征

2.3.3 厌氧发酵理化分析方法

2.3.4 微生物种群分析

2.4 数据分析方法

第 3 章 不同污泥基生物炭理化特性比较

3.1 实验内容和目的

3.2实验结果与讨论

3.2.1 不同生物炭红外光谱分析

3.2.2 不同生物炭的三维荧光分析

3.2.3 比表面积、孔体积和孔径

3.2.4 pH、EC 和 DOC

3.3 本章小结

第 4 章 不同生物炭对污泥厌氧消化的影响

4.1 实验内容和目的

4.2 实验结果与讨论

4.2.1 污泥生物炭对污泥厌氧产甲烷的影响

4.2.2 污泥生物炭对污泥水解酸化的影响

4.2.3 污泥生物炭对厌氧消化体系性质的影响

4.3 本章小结

第 5 章 不同生物炭对厌氧体系微生物种群的影响

5.1 实验内容和目的

5.2 实验结果与讨论

5.2.1 污泥生物炭对污泥厌氧微生物种群的影响

5.2.2 污泥生物炭对 DIET 微生物的影响

5.2.3 污泥水热炭促进剩余污泥厌氧消化的机理

5.3 本章小结

结 论

参考文献

附录 A 攻读学位期间发表的论文目录

致 谢

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摘要

厌氧消化能同时实现有机物的降解和能量回收,被认为是一种很有前途的剩余污泥(WAS)处理方法。为了促进污泥的厌氧消化并获得更多的沼气产量,学者们广泛通过向消化反应器中添加生物炭等强化剂,来实现厌氧消化过程的强化。本实验中,采用污水处理厂剩余污泥作为原材料,通过水热碳化法和热解碳化法,在不同条件下制备了两种污泥基生物炭,即污泥水热炭(HC)和污泥热解炭(PC);并以污泥基生物炭为添加物,探究了不同污泥生物炭对污泥厌氧消化产酸和产甲烷过程的影响。污泥厌氧消化过程中的细菌和古菌种群,特别是参与直接种间电子转移(DIET)的微生物种群,其丰度和多样性也得到了研究和分析。本实验主要研究结论如下:  (1)生物炭红外光谱表明,水热碳化保留了原材料的大部分表面官能团。三维荧光光谱分析也同样证明,水热炭保留了较多的腐殖质类物质。而在热解碳化过程中,当热解温度上升至700℃,热解污泥炭表面官能团大部分已经被分解破坏。相比较于污泥热解炭,污泥水热炭具有较高的比表面积,HC180的比表面积和孔体积最大(分别为58.01m2/g和0.31cm3/g)。这可能是污泥颗粒的絮凝状结构,在干热解下会强烈收缩,不利于形成多孔生物炭;而在水热碳化条件下,液体分子和微小气泡猛烈冲撞生物质,而促进了污泥水热炭孔隙结构的形成。  (2)与污泥热解炭相比,污泥水热炭能更好地促进污泥厌氧体系甲烷的生成。HC180的促进作用最强,其累积产甲烷量为132.04±4.4mL/gVSadded,与Blank组(111.52±1.09mL/gVSadded)相比,甲烷产量增加了18.40%。同时,向污泥厌氧反应器添加热解炭时,只有PC300组的累计产甲烷量略有提高,而PC500和PC700的添加对最终产甲烷量均有负向影响。  (3)对反应体系中的可溶性有机物和短链脂肪酸(SCFA)的监测表明,水热炭可以增强水解酸化细菌的活性,促进污泥有机颗粒水解,最终提高SCFA(特别是乙酸、丙酸)的产量,而热解炭(尤其是PC500和PC700)对可溶性蛋白质和糖类的释放有一定的抑制作用,减少了SCFA的产量。在厌氧消化的第4天,水热炭的加入导致反应器中SCFA浓度攀升到312.73~349.60mg/L,远高于污泥单独厌氧反应器的浓度(163.98 mg/L)。  (4)污泥生物炭的添加,改变了污泥厌氧体系中的微生物的群落组成和丰度。与Blank32d相比,HCs组的古菌和细菌的Simpson指数和Shannon指数较小,说明添加水热炭降低了微生物群落(古菌和细菌)的多样性。而热解炭对厌氧体系菌群多样性的影响较小。结合聚类分析的菌落组成热图表明,Blank32d和PC500、PC700的古菌和细菌群落结构比较接近,而与HCs组差距较大。说明水热炭的添加,对污泥厌氧消化体系的微生物群落影响更大。  (5)细菌CandidatusMicrothrix在HC240和HC300中被富集(丰度分别为3.3和3.4%)。CandidatusMicrothrix的丝状结构被认为是有利于微生物—EPS聚集体形成的内骨架,它的丰度与有机物去除之间存在很强的正相关关系。因此,HCs组的水解酸化率高于Blank。此外,水热炭的添加,显著提高了古细菌Methanosaeta(69.5~70.7%),Methanobacterium(12.8~15.2%),和Methanosarcina(2.85~6.00%)的丰度,这些古菌被认为可以参与DIET过程。同时,水热炭添加还导致了DIET细菌的富集,如GenusSyntrophomonas(0.166~0.186%)和FamilyPeptococcaceae(0.035~0.086%),促进了SCFA的消耗,并最终强化了甲烷的生产。

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