剩余污泥嗜热酶溶解预处理的效果研究及其资源化

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。与目前国内外主要使用的超声波、臭氧氧化、氯氧化、热水解、热碱处理等污泥减量技术相比,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,结合后续工艺不仅可以实现污泥的“零排放”,还可实现氮磷回收和产气资源化[3],应用前景良好。本研究从土壤中筛选分离出1株嗜热菌AT07-1,并对其形态特征和生理生化性质进行了初步鉴定。试验结果表明,AT07-1菌株能分泌胞外蛋白酶和淀粉酶,生长适宜温度在45-70℃之间,生长适宜pH为5.5-8.5,最适生长温度为65℃,经鉴定为Bacillus thermophilic bacteria AT07-1（FJ231108）,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。将嗜热菌AT07-1培养液接种到不同浓度（TSS约为7.5、14.5、20.5 g·L-1）的剩余污泥中,于65℃进行嗜热菌溶解试验,并与未接种试验进行对比,并对VSS的溶解进行了动力学分析。研究结果表明,S-TE污泥溶解存在2种反应（酶催化反应和热水解反应）和2个过程。嗜热菌胞外酶（主要是蛋白酶和淀粉酶）首先解聚污泥胶团,然后溶解细菌细胞壁,水解胞内有机物质.接种嗜热菌AT07-1促进了污泥中悬浮固体的溶解。60h时接种试验VSS的溶解率分别为61.41%、53.79%、41.86%,比不接种试验同期分别提高了27.57%、25.24%、16.26%.FSS溶解率在接种和未接种条件下相差微小,TSS溶解减量取决于VSS和FSS的组成比例。试验条件下VSS溶解过程在初始阶段（t=3d）符合一级反应动力学模型,接种后溶解速率常数Kd显著提高,从0.12 d-1、0.08 d-1、0.09 d-1分别增加到0.27 d-1、0.24 d-1、0.13 d-1。本研究探讨了在65℃、微曝气条件下S-TE预处理对剩余污泥溶解和污泥中各种营养成分变化的影响。将Bacillus thermophilic bacteria AT07-1培养液接种到两种不同浓度（TSS分别为14、21 g·L-1）的剩余污泥中,并与未接种试验进行对比.结果表明,接种嗜热菌AT07-1比不接种促进了污泥中悬浮固体的溶解;微曝气接种条件下溶解性COD（SCOD）和挥发性脂肪酸（VFA）得到最大累积,最大累积量SCOD分别为8222 mg/L、11265mg/L;VFA分别为4285 mg/L、5578mg/L,这有利于厌氧消化产气;污泥溶解产生的蛋白质被蛋白酶快速水解,蛋白质浓度先升高后降低;总糖浓度总体呈现先升高后降低;pH先升高后略微降低。本研究还探讨了应用S-TE技术预处理剩余污泥,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。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（3-4h）,产氢率达最大值后能较稳定地维持10h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。

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
• 1.1.1 课题研究的背景
• 1.1.2 课题研究的目的和意义
• 1.2 我国污泥概况
• 1.2.1 我国污泥产量发展状况
• 1.2.2 我国污泥处理及处置
• 1.2.2.1 我国污泥处理处置现状
• 1.2.2.2 污泥处理技术
• 1.2.3 我国污泥处理处置存在的问题
• 1.2.4 污泥产气的资源化进展
• 1.3 污泥的性质
• 1.3.1 污泥的物理性质
• 1.3.2 污泥的化学性质
• 1.3.3 污泥的微生物学性质
• 1.4 剩余污泥溶解减量化理论基础及处理技术
• 1.4.1 污泥减量化的研究背景及理论基础
• 1.4.2 污泥溶解减量化主要方法
• 1.4.2.1 物理方法
• 1.4.2.2 化学方法
• 1.4.2.3 生物方法
• 1.5 嗜热菌剩余污泥减量技术
• 1.5.1 嗜热菌剩余污泥理论背景
• 1.5.1.1 污泥中微生物代谢
• 1.5.1.2 污泥有机物质及其分解
• 1.5.1.3 嗜热菌及胞外酶
• 1.5.1.4 嗜热菌污泥溶解（S-TE）技术
• 1.5.2 S-TE 污泥溶解的影响因素
• 1.5.2.1 嗜热菌与优势菌株
• 1.5.2.2 温度
• 1.5.2.3 氧环境
• 1.5.2.4 金属离子
• 1.5.2.5 水力停留时间
• 1.5.3 经济性分析
• 1.5.4 S-TE 污泥溶解的发展趋势
• 1.6 本课题研究的目的、意义及内容
• 1.6.1 研究目的及课题意义
• 1.6.2 本课题研究内容
• 第2章 污泥溶解嗜热菌的筛选、分离与鉴定
• 2.1 前言
• 2.2 典型嗜热菌菌株的筛选、分离
• 2.2.1 主要试验材料
• 2.2.1.1 嗜热菌分离基料
• 2.2.1.2 分离纯化培养基
• 2.2.2 主要试验仪器与设备
• 2.2.2.1 主要试验仪器
• 2.2.2.2 主要试验设备
• 2.2.3 试验方法
• 2.2.3.1 菌种的培养
• 2.2.3.2 菌种的筛选、分离
• 2.3 典型嗜热菌菌株的鉴定
• 2.3.1 主要试验材料
• 2.3.1.1 分离的菌株
• 2.3.1.2 鉴定培养基
• 2.3.2 主要试验仪器和设备
• 2.3.3 试验方法
• 2.3.3.1 形态特征
• 2.3.3.2 生理生化试验
• 2.3.3.3 所筛选的新菌种的DNA 提取及扩增
• 2.3.4 结果与讨论
• 2.3.4.1 形态特征
• 2.3.4.2 生理生化试验
• 2.3.4.3 DNA 提取及测序
• 2.4 小结
• 第3章 S-TE 污泥溶解过程中主要固形物质的变化
• 3.1 前言
• 3.2 试验装置和主要仪器
• 3.2.1 试验装置
• 3.2.2 主要仪器
• 3.3 材料与方法
• 3.3.1 试验材料
• 3.3.1.1 接种嗜热菌
• 3.3.1.2 试验用剩余污泥
• 3.3.2 试验方法
• 3.3.3 测定分析方法
• 3.3.3.1 测定方法
• 3.3.3.2 分析方法
• 3.3.4 动力学分析
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1. VSS 的溶解变化分析
• 3.4.2 TSS 的溶解变化分析
• 3.4.3 无机悬浮固体（FSS）的溶解变化分析
• 3.4.4 VSS 溶解的动力学分析
• 3.5 小结
• 第4章 嗜热菌接种对剩余污泥预处理的效果研究
• 4.1 前言
• 4.2 试验装置和主要仪器
• 4.3 材料与方法
• 4.3.1 接种嗜热菌
• 4.3.2 试验用污泥
• 4.3.3 试验方法
• 4.3.4 分析项目及方法
• 4.4 结果与讨论
• 4.4.1 VSS、TSS 的溶解变化分析
• 4.4.2 溶解性COD（SCOD）和VFA 的变化分析
• 4.4.3 蛋白质、氨氮和总糖的变化
• 4.4.4 pH 值的变化
• 4.4.5 梅拉德反应
• 4.5 小结
• 第5章 S-TE 预处理污泥厌氧发酵产氢研究
• 5.1 前言
• 5.2 试验装置和主要仪器
• 5.3 试验材料与方法
• 5.3.1 接种嗜热菌
• 5.3.2 接种产氢菌
• 5.3.3 试验污泥
• 5.3.4 试验方法
• 5.4.4.1 污泥的预处理
• 5.4.4.2 污泥的发酵产氢
• 5.3.5 分析项目及方法
• 5.3.6 产氢率的数据回归
• 5.4 结果与讨论
• 5.4.1 预处理前后污泥性质变化
• 5.4.2 各组污泥发酵产氢效果
• 5.4.3 反应末端VFA 及乙醇含量
• 5.5 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