超声联合碱促进剩余污泥水解酸化及产物研究

论文摘要

在活性污泥法污水处理过程中，低碳氮比影响污水脱氮除磷效果，同时大量难以处置的剩余活性污泥制约传统污水处理的发展。然而，活性污泥经过处理既可以转化为脱氮除磷的碳源，又可以实现污泥综合利用。本课题研究了超声、碱和超声+碱对剩余活性污泥的破解效果，并分析了破解污泥水解酸化过程中，初始溶出底物和污泥粒径对挥发酸积累和微生物群落结构的影响。同时为了抑制乙酸消耗，采用碱预调节和碱过程调节分别对超声破解污泥的水解酸化反应进行干预，寻求促进挥发酸等小分子有机物积累的最佳碱调节方式。采用强化破解和碱调节组合工艺获得酸化产物，并将其作为碳源回用于A/A/O工艺，考察酸化产物对生活污水脱氮除磷效果和微生物群落结构的影响。本文对超声、碱和超声+碱预处理溶出的SCOD与EPS （EPSCOD=4250mg/L）进行分析比较发现：剩余污泥经pH=12，预处理1d后溶出的SCOD浓度为4287mg/L，说明碱预处理能够破坏污泥的EPS结构。而超声（3.0W/mL）预处理和超声（3.0W/mL）+碱（pH=10）联合预处理使剩余污泥的平均粒径在30min内从200-300μm降至10μm，溶出的SCOD浓度分别为7520和7890mg/L远超过了EPSCOD浓度。这说明超声既能破坏EPS结构又能破坏细胞壁结构。同时采用耗氧呼吸速率对超声破解污泥上清液进行可生化性分析发现，上清液中的易生化物质和可生化物质达50%和76%。为获取污水脱氮除磷所需的挥发酸等小分子碳源，本试验将三种破解污泥分别在pH=7、25℃条件下进行15d的水解酸化反应发现：挥发酸积累的最佳时间均在第5d，挥发酸产量分别为1380、1180和1480mg/L。分析破解溶出的SCOD和破解后污泥粒径与挥发酸浓度之间的关系发现，破解溶出的SCOD越高、污泥粒径越小，越有利于挥发酸的产生。通过PCR-DGGE分子技术对三种破解污泥的水解酸化微生物群落结构进行研究发现：不同预处理技术产生不同的水解酸化底物，改变了水解酸化微生物群落结构。参与破解污泥水解酸化的主要微生物群落有： Proteobacteria、Firmicutes、Bacteroidetes、TM7、Actinobacteria和Chloroflexi。其中，Actinobacteria主要水解蛋白产生氨基酸；Bacteroidetes和Chloroflexi分别将多糖和氨基酸转化为丙酮酸。Firmicutes可将氨基酸和丙酮酸分别降解产生乙酸、丙酸和丁酸，但β-Proteobacteria会利用乙酸、降低乙酸积累。为了提高破解污泥水解酸化对挥发酸的积累，分别采用碱预调节和碱过程调节抑制乙酸的消耗。本文将超声破解污泥和接种污泥（1:1）混合液的pH值分别调至7-12后进行水解酸化。结果发现，碱预调节在试验初期能够有效地抑制产甲烷反应、促进挥发酸积累，在初始pH=11、水解酸化7d时的挥发酸浓度为2620mg/L。控制超声破解污泥水解酸化过程的pH（7、8、9和10），结果发现：pH=9过程调节既促进了挥发酸的积累，又抑制了挥发酸消耗，水解酸化15d时的挥发酸浓度为3111mg/L。将pH=11预调节和pH=9过程调节超声破解污泥水解7d的酸化产物进行反硝化、释磷测试发现，相同挥发酸含量的条件下，碱过程调节酸化产物的反硝化、释磷效果优于碱预调节酸化产物和乙酸钠。采用超声破解和pH=9碱过程调节的组合工艺获取水解酸化产物，并将其回用于A/A/O反应器，连续运行90d后发现：出水TN和TP浓度分别从投加酸化产物前的13.5和4.1mg/L降低至6.2和0.5mg/L，相应的去除率从62.3%和50.1%升高到了85.4%和94.7%。采用PCR-DGGE分子技术对微生物种群结构的变化进行分析发现：酸化产物对微生物结构产生了巨大的影响。Proteobacteria随着酸化产物的投加而逐渐增加，且发挥着巨大的脱氮除磷作用，而Bacteroidetes作为第二大类细菌则起着反硝化除磷作用，Actinobacteria和Firmicutes则主要与COD的去除直接相关，但Chloroflexi和TM7则在稳定期消失。同时，酸化产物使同步硝化反硝化菌Alphaproteobacteria和反硝化聚磷菌Sphingobacteriaceae得到富集。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 污水处理所用碳源的发展
• 1.3 剩余污泥水解酸化产物作碳源的研究进展
• 1.3.1 污泥水解酸化机理
• 1.3.2 剩余污泥水解酸化产物的应用
• 1.3.3 促进污泥水解的方法
• 1.3.4 污泥水解酸化的影响因素
• 1.3.5 剩余活性污泥水解酸化产物作碳源的可行性
• 1.4 生物技术在污水处理中的应用
• 1.5 研究目的、内容和技术路线
• 1.5.1 研究目的
• 1.5.2 技术路线
• 1.5.3 研究内容
• 第2章 试验材料和方法
• 2.1 试验材料和装置
• 2.1.1 试验材料
• 2.1.2 试验装置
• 2.2 试验方案
• 2.2.1 剩余活性污泥的预处理试验
• 2.2.2 预处理污泥的水解酸化试验
• 2.2.3 酸化产物作为碳源的应用试验
• 2.3 分析方法
• 2.3.1 物理化学分析方法
• 2.3.2 微生物分析方法
• 2.4 分析仪器
• 2.5 本章小结
• 第3章 预处理工艺强化剩余活性污泥水解效果研究
• 3.1 引言
• 3.2 超声强化剩余污泥水解效果的研究
• 3.2.1 超声对污泥粒径的影响
• 3.2.2 超声对污泥水解的影响
• 3.2.3 超声对蛋白水解的影响
• 3.2.4 超声对多糖释放的影响
• 3.2.5 超声破解污泥的可生化性分析
• 3.3 碱强化剩余污泥水解效果的研究
• 3.3.1 碱对剩余污泥粒径的影响
• 3.3.2 碱性环境对剩余污泥水解的影响
• 3.3.3 碱性环境对蛋白水解的影响
• 3.3.4 碱性环境对多糖水解的影响
• 3.4 碱性环境下超声对剩余污泥的水解效果
• 3.4.1 超声与碱联合对污泥粒径的影响
• 3.4.2 超声与碱联合对污泥水解的影响
• 3.4.3 超声与碱联合对蛋白水解的影响
• 3.4.4 超声与碱联合对多糖的影响
• 3.5 预处理技术对污泥胞外结构水解效果的分析比较
• 3.5.1 超声预处理对胞外结构的影响
• 3.5.2 超声与碱联合预处理对污泥胞外结构的影响
• 3.6 本章小结
• 第4章 生物强化酸化破解污泥及水解酸化微生物研究
• 4.1 引言
• 4.2 生物水解酸化超声污泥的效果研究
• 4.2.1 酸化过程对污泥有机物释放的影响
• 4.2.2 酸化过程对蛋白降解及产物生成的影响
• 4.2.3 酸化过程对多糖的影响
• 4.2.4 挥发酸的产生
• 4.2.5 酸化过程磷酸盐产生的影响
• 4.3 生物酸化对碱预处理污泥的效果研究
• 4.3.1 碱预处理对酸化溶解性有机物的影响
• 4.3.2 碱预处理对蛋白降解的影响
• 4.3.3 碱预处理对多糖的降解的影响
• 4.3.4 碱预处理对挥发酸产生的影响
• 4.3.5 碱预处理对磷酸盐产生的影响
• 4.4 超声和碱联合预处理水解酸化污泥的效果研究
• 4.4.1 联合预处理对SCOD的影响
• 4.4.2 联合预处理对蛋白降解的影响
• 4.4.3 联合预处理对多糖的影响
• 4.4.4 联合预处理对挥发酸产生的影响
• 4.4.5 联合预处理对磷酸盐产生的影响
• 4.5 预处理对生物强化水解酸化的微生物群落结构的影响
• 4.5.1 DGGE图谱
• 4.5.2 测序结果分析
• 4.5.3 微生物在水解酸化过程中的作用
• 4.6 破解效果与挥发酸积累的关系
• 4.7 本章小结
• 第5章 pH环境对超声破解污泥水解酸化效果及微生物群落结构研究
• 5.1 引言
• 5.2 碱预调节对超声破解污泥水解酸化效果影响
• 5.2.1 SCOD浓度的变化
• 5.2.2 pH预调节对蛋白降解的影响
• 5.2.3 pH预调节对多糖的影响
• 5.2.4 挥发酸的产率与分布
• 5.2.5 pH预调节对磷酸盐生成的影响
• 5.3 碱过程调节对超声破解污泥水解酸化效果影响
• 5.3.1 试验控制
• 5.3.2 pH过程调节对SCOD的影响
• 5.3.3 pH过程调节对蛋白的影响
• 5.3.4 pH过程调节对多糖的影响
• 5.3.5 pH过程调节对挥发酸生成的影响
• 5.3.6 pH过程调节对磷酸盐生成的影响
• 5.4 碱调节方式对水解酸化微生物群落结构的影响
• 5.4.1 微生物凝胶图谱
• 5.4.2 反应器微生物测序结果分析
• 5.4.3 微生物群落构成
• 5.4.4 环境条件对微生物群落结构的影响
• 5.5 酸化产物的反硝化试验
• 5.5.1 酸化产物对脱氮的影响
• 5.5.2 酸化产物对释磷的影响
• 5.6 本章小结
• 第6章 酸化产物作碳源对A/A/O工艺脱氮除磷及微生物群落结构的影响
• 6.1 引言
• 6.2 酸化产物作碳源的性质研究
• 6.3 酸化产物对A/A/O反应器的影响
• 6.3.1 酸化产物对COD去除的影响
• 6.3.2 酸化产物对脱氮的影响
• 6.3.3 酸化产物对除磷的影响
• 6.3.4 反应器污水性质变化
• 6.4 酸化产物对反应器微生物群落的影响
• 6.4.1 微生物DGGE图谱
• 6.4.2 微生物测序结果分析
• 6.4.3 微生物同源性分析
• 6.4.4 生物群落的聚类分析
• 6.4.5 污泥群落的主成分分析
• 6.4.6 微生物多样性分析
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢
• 个人简历