嗜热酶溶解技术处理污泥发酵产氢研究

论文摘要

随着城市废水处理量的增加,下水道接管率的提高和活性污泥（AS）系统的扩建,产生大量的剩余污泥,新生剩余污泥的减量化及资源化的研究成为国际新趋势。通过物理、化学或生物等预处理方法改变污泥的物化和生化特性,结合后续工艺,可以达到资源化的目的。而利用预处理污泥发酵产氢气,就是预处理污泥利用的后续工艺中的一种,其反应条件温和,发酵产物H2是一种燃烧值高、无污染可再生的理想燃料,应用前景良好。与目前国内外主要使用的超声波、热水解、热碱处理等污泥预处理技术相比,基于微生物隐性生长的生物嗜热酶溶解（S-TE）技术更经济高效、安全、易于运行和控制,而且投资、运行成本和效果都比较理想。本研究从花园土壤中采集样品,用常规的稀释涂布法分离和纯化适合于污泥溶解的典型嗜热菌菌株,从中选出一株高效菌进行形态观察、生理生化鉴定。结果表明,该菌株的格兰氏染色阳性、呈细杆状、产芽孢,为好氧或兼性需氧细菌,最适生长温度为65℃,最适生长的pH值为6.8-7.5,具有较好的污泥溶解效果,适合作为S-TE污泥溶解的接种菌。通过16S rDNA碱基测序和对比证实,该菌株是目前尚未报道过的一个新菌种,GenBank中注册命名为Bacillus sp.AT07-1（注册号:FJ231108）。本研究采用Hungate厌氧培养技术分别从厌氧污泥、好氧污泥及河底泥中分离出12株厌氧产氢细菌,并对其中的Enterococcus sp. LG1（注册号: EU258743）进行了研究。结果表明,该株细菌为专性厌氧菌,经革兰氏染色结果为阴性,能够利用灭菌污泥进行高效产氢。本研究在不同嗜热菌接种量（2%、5%、8%）和不同曝气条件（搅拌曝气、曝气量0.07 L·（L·min-1） -1）下,利用S-TE技术处理污泥,考察了接种量、曝气条件以及处理时间对污泥后续厌氧发酵产氢的影响,获得了应用S-TE技术处理污泥厌氧发酵产氢的最佳优化条件。结果表明,应用S-TE技术处理剩余污泥发酵产氢时,接种嗜热菌Bacillus sp.AT07-1的比例为5%时,产氢率最高;微量曝气条件进行S-TE处理释放污泥微生物的能力大于搅拌条件下释放能力,但搅拌条件下处理污泥产氢率大于微量曝气条件下处理污泥产氢率,产氢延迟时间也更短;应用S-TE技术处理污泥24h时,污泥发酵产氢率最大;处理时间越长,产氢率达最大值后,氢气消耗现象越轻微。本研究应用S-TE技术在优化条件下对剩余污泥进行预处理,研究接种产氢菌（Enterococcus sp.LG1）和未接种产氢菌两种状况下,污泥厌氧发酵产氢效果,并与相应温度（65℃）热预处理污泥的发酵产氢效果进行对比,同时分析探讨了污泥发酵产氢过程中底物和pH值的变化。结果表明,经S-TE预处理的污泥在未接种外在产氢菌时,产氢效果良好,最大产氢率（H2/VS）高达16.3 mlH2/g,高出65℃热预处理污泥接种产氢菌（Enterococcus sp.LG1）15.6%,高出65℃热预处理污泥未接种产氢菌26.4%,发酵气体中只含有H2和CO2,不含CH4,氢延迟时间短（3～4 h）,产氢率达最大值后能较稳定地维持10 h以上;S-TE预处理污泥接种产氢菌后,产氢效果不佳,最大产氢率仅为10.7 ml/g。S-TE预处理污泥发酵过程中, SCOD处于上下波动状态,可溶性蛋白质和可溶性糖先上升,然后在波动情况下总体趋于下降,且可溶性蛋白质和可溶性糖急剧减少的阶段正是产氢率急剧增加的阶段,这说明可溶性蛋白质和可溶性糖是S-TE预污泥产氢发酵的主要营养物质。发酵产氢过程中的发酵类型以丁酸型发酵和乙醇型发酵为主。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.1.2 课题研究背景
• 1.1.2 课题研究的目的和意义
• 1.2 污泥概况
• 1.2.1 污泥的产生
• 1.2.2 污泥的类型
• 1.2.3 污泥的成分
• 1.2.4 污泥的性质
• 1.2.5 我国污泥发展状况
• 1.2.6 污泥的处理与处置
• 1.3 污泥发酵制氢
• 1.3.1 污泥发酵制氢的理论原理
• 1.3.2 厌氧发酵产氢影响因素
• 1.3.3 污泥发酵制氢技术现状及展望
• 1.4 S-TE 技术
• 1.4.1 S-TE 技术的基础和原理
• 1.4.2 S-TE 技术在污泥处理中的应用
• 1.4.3 经济性分析
• 1.4.4 S-TE 技术的前景及亟待解决的问题
• 1.5 课题研究的内容
• 第2章 嗜热菌及产氢菌的分离、筛选和鉴定
• 2.1 嗜热菌的分离、筛选和鉴定
• 2.1.1 试验材料
• 2.1.2 试验方法
• 2.1.3 结果与分析
• 2.2 产氢菌的分离、筛选和鉴定
• 2.2.1 实验材料
• 2.2.2 实验方法
• 2.2.3 结果与分析
• 2.4 小结
• 第3章 S-TE 技术溶解污泥发酵产氢条件优化
• 3.1 前言
• 3.2 S-TE 技术溶解污泥的影响因素
• 3.2.1 嗜热菌与优势菌株
• 3.2.2 污泥性质
• 3.2.3 温度
• 3.2.4 氧环境
• 3.2.5 金属离子
• 3.2.6 水力停留时间
• 3.3 实验装置与主要仪器
• 3.3.1 实验装置
• 3.4 材料与方法
• 3.4.1 实验材料
• 3.4.2 实验方法
• 3.4.3 分析方法
• 3.4.4 产氢率的数据回归
• 3.5 结果与分析
• 3.5.1 S-TE 预处理过程中嗜热菌接种量对产氢的影响
• 3.5.2 S-TE 预处理过程中曝气条件对产氢的影响
• 3.5.3 S-TE 预处理时间对产氢的影响
• 3.6 讨论
• 3.7 小结
• 第4章 S-TE 预处理污泥产氢优越性及发酵过程中底物变化趋势研究
• 4.1 前言
• 4.2 常见的几种污泥预处理方式
• 4.2.1 热处理
• 4.2.2 超声波处理
• 4.2.3 微波处理
• 4.2.4 化学处理
• 4.2.5 机械处理
• 4.2.6 生物酶处理
• 4.2.7 隐性生长技术
• 4.2.8 过滤处理
• 4.3 材料与方法
• 4.3.1 实验装置
• 4.3.2 实验仪器
• 4.3.3 试验材料
• 4.3.4 实验方法
• 4.3.5 分析方法
• 4.3.6 产氢率的动力学分析
• 4.4 结果与分析
• 4.4.1 预处理前后污泥性质变化
• 4.4.2 各组污泥发酵产氢效果
• 4.4.3 污泥发酵产氢过程中底物变化
• 4.4.4 pH 值变化
• 4.4.5 反应某端VFA 及乙醇含量
• 4.5 讨论
• 4.6 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录