低有机质高含固率污泥厌氧消化强化预处理技术与机理研究

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大量的城镇污水厂低有机质污泥厌氧消化效能低，成为污泥资源化利用的瓶颈。研究针对城镇污水处理厂低有机质污泥提出低有机质污泥碱-超声同步和热碱-生物预处理技术，提升污泥水解酸化效能。研究利用SEM-EDS、3D-EEM及FRI等技术，对低有机质污泥的基本性质、污泥粒度、表面电荷、有机物组分及结构、BMP等进行了多角度全面解析；考察了pH、接触时间、功率密度、污泥浓度、协同方式等对碱-超声同步预处理系统效能的综合影响，得出了关键工况参数，探究了系统有机物转化规律，以及碱-超声同步预处理后污泥对厌氧消化系统效能及微生物种群结构的影响。结合研究中发现的高温(55℃)高碱性(pH10~12)环境下存在大量水解酸化菌群的现象，系统研究了pH、SRT、含固率等对低有机质污泥热碱-生物预处理系统构建及效能的影响；在此基础上，为了进一步提升系统效能，重点探究了低有机质高含固率污泥热碱-生物预处理系统，考察了pH和微生物生长方式对系统构建及效能的影响，确定了系统构建的关键工况参数及构建方法；同时，利用FTIR、FISH、3D-EEM及FRI等技术，探究了系统的有机物转化规律，解析了不同强化预处理途径的污泥对厌氧消化系统细菌和古菌分布的影响；通过16SrRNA高通量测序技术，解析了各预处理系统中微生物种群结构和功能菌属，揭示了系统的微生物作用机制。研究得出的主要结论如下：　　某城镇污水厂为典型的低有机质污泥，其VSS/TSS为35.6%，污泥表面C、Si元素占比为35.42%、15.06%，污泥表面电荷SC为-0.031meq/gMLSS较对照组高有机质污泥低2.29倍；污泥的EPS含量为50.18mg/gVSS，EPS/TCOD比值(2.66%)显著低于对照组(26.93%)，LB-EPS含量仅为2.93mg/gVSS，EPS组分中易降解有机物占比为62.71%~78.79%，明显低于对照组(82.19%~87.40%)；同时，低有机质污泥中溶解性蛋白质、多糖占比分别达84.71%~85.10%和4.78%~5.44%，其可生物降解率分别为52.24%和39.70%。SEM-EDS、FTIR结果分析表明：低有机质污泥与高有机质污泥物质组分基本一致，其无机砂的主要组成和结构为SiO2和Si-O；但低有机质污泥N-H键、C=O键和-CO-NH键波峰数更高，无机砂和蛋白质有机质结合生成无机-生物絮体，其蛋白质类物质溶出难度增大。BMP试验结果表明：低有机质污泥甲烷产率较对照组低34.6%，其污泥的资源化利用潜力受到无机砂的明显抑制。　　pH、接触时间、超声频率、功率密度、污泥浓度等对低有机质污泥碱-超声同步预处理系统有机物的溶出影响显著，其处理效能依次为碱-超声同步处理>先超声-后碱分步处理>先碱-后超声分步处理>超声处理>碱处理；正交试验结果表明，各因素对碱-超声同步预处理效能综合影响依次为：pH＞接触时间＞功率密度＞污泥浓度；在28kHz、pH10、功率密度0.4W/mL、污泥浓度80g/L、接触时间15min下，低有机质污泥经过碱-超声同步系统预处理后SCOD较对照组(原污泥)增加4.31倍，甲烷产率较对照组增加了74.2%。低有机质污泥碱-超声同步预处理后污泥上清液总荧光强度上升至24.58×107(a.u.)，易生物降解物质的区域的荧光强度占比达到87.35%，较对照组提高了19.1%。　　碱-超声同步预处理后的低有机质污泥对厌氧消化系统功能微生物种群多样性显著降低，水解酸化菌得到富集。厚壁菌门Firmicutes和互养菌门Synergistetes丰度较对照组(未预处理)分别增加1.24倍和6.15倍；vadinHA17、Peptoclostridium等7种水解酸化均属丰度达31.81%，较对照组增加1.07倍；广古菌门Euryarchaeota丰度为97.25%，较对照组增加42%；Methanosaeta、Methanosarcina等古菌属占绝对优势。　　pH、SRT和含固率对低有机质污泥热碱-生物预处理系统构建及效能影响显著，pH10、SRT5d、含固率8%下系统预处理效能较高。pH12时，系统水解效能和VSS减量效能较高；pH10时系统酸化效能较高，VFAs为3081.22mg/L，乙酸占比61.10%。系统中水解和VSS减量效能SRT5d时较高，酸化效能SRT3d时较高，VFAs为2964.78mg/L，乙酸占比51.27%。含固率8%时系统负荷和水解酸化效能较高，VFAs为135.82mg/gVSS，乙酸占比42.52%。　　pH对高含固率(8%)低有机质污泥热碱-生物预处理系统构建及效能影响显著。在55℃、SRT3d下，系统水解效能随着pH增加而提高，酸化效能随着pH增加先增强(pH7增加至pH10)后减弱(pH10增加至pH12)；pH10时预处理系统效能最佳，VFAs/SCOD(ηa)达到32.15%，VFAs浓度较传统水解酸化的对照组高8.68倍；pH10处理后污泥甲烷产率提高了1.08倍，污泥平均粒径较原污泥降低了24.60%，表面电荷SC较原污泥提高了3.32倍。3D-EEM分析结果表明，pH10系统污泥DOM可生物降解有机物占比由处理前的61.78%提高至处理后的77.60%；FI、BIX、HIX三种荧光指数均显示出DOM来源于微生物等自生源，表明强化水解酸化系统中微生物发挥了重要作用。16SrRNA高通量测序结果表明，pH10的系统优势嗜热水解酸化功能菌属主要有Tepidimicrobiμm(29.50%)、Coprothermobacter(5.23%)、Candidatus_Microthrix(4.69%)、Aquabacterium(4.32%)、Tepidanaerobacter(4.23%)和Proteiniclasticum(1.28%)。　　微生物生长方式对低有机质高含固率污泥热碱-生物预处理系统构建及效能影响显著。生物膜热碱-生物预处理系统微生物活性、污泥溶解性、可生物降解性、产甲烷效能较热碱、热碱-活性污泥预处理系统显著提升。生物膜热碱-生物预处理系统SCOD(22692.29 mg/L)和VFAs(7373.05mg/L)溶出浓度分别较活性污泥热碱-生物预处理系统分别提高9.87%和11.04%；蛋白酶的活性1273.98U/gDS为活性污泥系统的2.73倍；甲烷产率为252.92mL/gVSS，较未预处理系统提高了1.4倍，较活性污泥热碱-生物系统提高了15.46%；生物膜系统DOM中可生物降解性物质占比为79.41%；VSS减量29.42%高于活性污泥系统31.16%。16SrRNA高通量测序结果表明，热碱-生物膜预处理系统中优势水解酸化功能菌属主要有Tepidimicrobium(27.65%)、Coprothermobacter(11.09%)、Candidatus_Microthrix(6.02%)、Aquabacterium(5.78%)、Tepidanaerobacter(4.23%)、Proteiniclasticum(1.19%)、Hydrogenispora(0.27%)、Caldicoprobacter(0.01%)，丰度较对照组显著提升。　　FISH分析结果表明，经热碱-生物膜、热碱-活性污泥、热碱系统预处理后的污泥，其厌氧消化系统中总古菌占比分别为95.07%、87.26%、78.70%，其甲烷产率较对照组分别提高了53.52%、38.54%、17.10%。低有机质高含固率污泥热碱-生物预处理后污泥甲烷产率依次为，生物膜热碱-生物协同系统(276.34 mL/g VSS)>活性污泥热碱-生物协同系统(249.37mL/g VSS)>热碱系统(210.78 mL/g VSS)，分别较未预处理系统(180 mL/g VSS)提高53.52%；热碱主要起水解作用，生物主要起酸化作用。

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作者
刘石虎;
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作者单位

重庆大学;

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授予单位重庆大学;
学科市政工程
授予学位博士
导师姓名卿晓霞,周健;
年度 2020
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正文语种 chi
中图分类
关键词
低有机质污泥,高含固率,预处理,超声波,热碱-生物;

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