促进污泥厌氧消化产沼气技术研究

论文摘要

在我国城市污水厂污泥急剧增加和能源日益紧缺的背景下,厌氧消化产沼成为污水厂污泥快速稳定化和资源化的一个重要方法。但由于污泥中细胞壁的阻碍作用和产甲烷菌对条件的苛刻要求等原因,使得常规厌氧消化过程沼气转化率较低。因此,本文针对以上两个问题,开展了污泥厌氧消化热碱预处理、生物添加剂强化厌氧产甲烷和优化厌氧消化工艺参数等一系列厌氧消化促进技术研究,从而为污泥的厌氧消化的工程化应用提供了技术储备和理论指导。主要的研究结论包括:（1）采用单因素实验和正交实验相结合的方式,考察了污泥热碱预处理过程不同参数（温度、pH、反应时间）以及热处理和pH调节对污泥细胞溶出过程的影响效果。结果表明:污泥溶解性化学需氧量（SCOD）与反应温度、溶液pH、反应时间成正相关,其中pH对SCOD的影响最大,反应时间对其影响最小。污泥溶胞的最优条件:反应温度120℃,pH=11,反应时间为15min,在此条件下,污泥上清液SCOD可达14810 mg/L,与总化学需氧量（TCOD）之比为49.29%,总有机碳（TOC）达4560 mg/L,总氮（TN）则增加27%,总悬浮固体（TSS）和挥发性悬浮固体（VSS）去除率分别达22.85%和40.93%。上清液分子量分布（MWD）结果显示:热碱处理后污泥中>1000KDa MW物质含量随pH和温度的增加而增加,当pH=11时,该部分物质可从原污泥的20.94%增加到31.70%;当温度为120℃时,该部分物质可达49.83%。污泥在优化条件下热碱预处理后,进行厌氧消化实验,其单位VSS污泥累积产甲烷量达到166.23mL/g-VSS,较原泥130.01 mL/g-VSS增加了27.86%。同时,热碱处理后污泥产气中最大甲烷含量为68.14%,相对原泥的最大甲烷含量64.18%,提前6天出现,从而有效促进了污泥的厌氧产沼速率和产量。（2）考察了不同微生物活性促进剂:还原型辅酶Ⅱ（NADPH）、乙酰辅酶A（Acetyl Coenzyme A）、对氨基苯甲酸（Para-aminobenzonic）、十二烷基硫酸钠（SDS）和十六烷基三甲基氯化铵（1631）对污泥的厌氧产沼过程的影响。研究发现:还原型辅酶Ⅱ的促进效果最为显著,产甲烷量高于对照组15.90%。在含固率为3%、35℃和300mL中的污泥厌氧反应体系中,NADPH添加量为50mg/L时厌氧促进效果最佳,在实验周期里,其累积产甲烷量为127.13mL/g-VSS,相比对照114.40mL/g-VSS,增加了11.12%。通过综合比较各种厌氧工况下污泥单位VSS产甲烷量、产气速率、甲烷含量、SCOD变化、pH变化和VSS去除率得出,当初始pH值为碱性（pH=8.5）、温度（55℃）和含固率为3%时,其单位VSS厌氧产气效果最佳。（3）最后,发展了基于水解为限速步骤的污泥厌氧降解产气动力学模型,并求解出该模型的动力学参数有机质产气转化率和水解速率常数kh。结合各工况下的实际厌氧产气情况,拟合产气动力学模型方程,根据模型方程中参数的大小验证各工况下的厌氧产气效果。通过综合比较不同添加量下的动力学模型发现:添加量为50mg/L时的和kh均最大,分别为223.978mL/g-VSS和0.14218d-1。同时,各工况下多组数据的比较表明:以产气量来表征水解程度、运用一级水解动力学模型来近似反应厌氧动力学过程具有合理性和可行性。通过污泥中各有机组分水解程度分析,计算出厌氧甲烷产量203.40mL/g-VSS,总产气量403.64mL/g-VSS。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 污泥特性
• 1.2 污泥处理处置现有标准
• 1.3 污泥常用稳定化技术
• 1.4 污泥厌氧消化的机理及其技术分析
• 1.4.1 厌氧消化两阶段理论
• 1.4.2 厌氧消化三阶段理论
• 1.4.3 颗粒性物质厌氧消化过程
• 1.5 污泥厌氧消化的影响因素
• 1.6 厌氧促进剂介绍
• 1.7 常见的污泥破解预处理
• 1.8 课题提出、研究内容及技术路线
• 1.8.1 课题提出
• 1.8.2 课题的研究内容及技术路线
• 第二章 实验装置与研究方法
• 2.1 实验污泥来源
• 2.2 实验方法与装置
• 2.3 主要分析指标及分析方法
• 2.3.1 污泥含水率
• 2.3.2 污泥的VSS（挥发性悬浮固体含量）与VSS 去除率
• 2.3.3 SCOD（污泥上清液的COD 值）
• 2.3.4 甲烷含量
• 2.3.5 分子量分布（MWD）
• 2.3.6 其他指标及分析方法
• 2.4 实验仪器与设备
• 第三章 污泥热碱预处理研究
• 3.1 热碱预处理不同工艺参数下对污泥破壁效果的影响
• 3.1.1 反应时间对污泥溶出液各物质的影响
• 3.1.2 反应温度对污泥溶出液SCOD 的影响
• 3.1.3 反应pH 对污泥溶出液SCOD 的影响
• 3.2 污泥溶出液中MWD 的变化情况
• 3.2.1 不同反应时间下污泥溶出液的MWD
• 3.2.2 不同反应温度下污泥溶出液的MWD
• 3.2.3 不同pH 条件下污泥溶出液的MWD
• 3.3 污泥溶胞过程的参数优化
• 3.4 热处理后厌氧消化实验
• 3.5 本章小结
• 第四章 污泥厌氧产沼气促进剂研究
• 4.1 污泥厌氧产沼气促进剂筛选
• max·CH₄'>4.2 最大比产甲烷速率U_max·CH₄
• 4.3 添加不同NADPH 添加量对污泥产甲烷效果的影响
• 4.3.1 不同NADPH 添加量对产甲烷量的影响
• 4.3.2 不同NADPH 添加量对SCOD 变化的影响
• 4.3.3 不同NADPH 添加量下pH 的影响
• 4.3.4 不同NADPH 添加量下VSS 的影响
• 4.4 初始pH 值对污泥产甲烷效果的影响
• 4.4.1 不同初始pH 值对产甲烷量的影响
• 4.4.2 不同初始pH 值对SCOD 的影响
• 4.4.3 不同初始pH 值对厌氧过程中pH 值的影响
• 4.4.4 不同初始pH 值对VSS 的影响
• 4.5 不同温度对污泥产甲烷效果的影响
• 4.5.1 不同温度对产甲烷量的影响
• 4.5.2 不同温度对SCOD 的影响
• 4.5.3 不同温度对pH 值的影响
• 4.5.4 不同温度对VSS 的影响
• 4.6 不同含固率对污泥产甲烷效果的影响
• 4.6.1 不同含固率对产甲烷量的影响
• 4.6.2 不同含固率对SCOD 的影响
• 4.6.3 不同含固率对pH 值的影响
• 4.6.4 不同含固率对VSS 的影响
• 4.7 本章小结
• 第五章 污泥厌氧消化产气动力学模型
• 5.1 厌氧发酵的微生物动力学原理
• 5.2 建立模型的基本假设
• 5.3 动力学模型的建立
• 5.4 各工况下动力学参数的求解
• 5.5 动力学模型的理论计算
• 第六章 结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文
• 附件