城市污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸條件優(yōu)化及其機(jī)理研究.pdf

1、城市污泥產(chǎn)生總量隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展迅速地增加，因此發(fā)展經(jīng)濟(jì)有效的污泥處理處置技術(shù)迫在眉睫。由于污泥中含有較高的有機(jī)質(zhì)，將這些廉價(jià)的有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化生產(chǎn)高附加值生物化學(xué)品，特別是揮發(fā)性脂肪酸不失為污泥資源化的一條新途徑。這條新途徑不僅可使污泥獲得減量化、無害化處理，而且也使得污泥中的有機(jī)成分能夠得到更好利用。 本論文在確立合適底物污泥及最佳預(yù)處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的pH和底物初始C/N控制策略開展了研究，通過結(jié)合末端限

2、制性片斷長(zhǎng)度多樣性分子技術(shù)和熒光原位雜交技術(shù)對(duì)發(fā)酵產(chǎn)酸過程中的微生物種群結(jié)構(gòu)和促使乙酸累積的微生物學(xué)機(jī)理進(jìn)行了解析，并在檢測(cè)形成揮發(fā)性脂肪酸的代謝途徑中的關(guān)鍵酶的活性基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討了促使不同單酸累積的主要代謝途徑。主要的研究結(jié)果如下： (1)直接利用污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸，發(fā)酵結(jié)束時(shí)蛋白質(zhì)、碳水化合物和揮發(fā)性有機(jī)質(zhì)三者的含量均超過67％。有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化率較低，導(dǎo)致?lián)]發(fā)性短鏈脂肪酸的產(chǎn)率難以提高。 (2)通過考察熱-堿、超聲

3、波-堿、熱-酸和超聲波-酸預(yù)處理技術(shù)對(duì)污泥融胞效果的影響，發(fā)現(xiàn)兩種堿處理方法能夠顯著改善高固體濃度的污泥有機(jī)質(zhì)融出效率。污泥中有機(jī)質(zhì)和蛋白類物質(zhì)融出率分別達(dá)到60.2％～61.6％和66.8％～67.5％。此外，在熱-堿和超聲波.堿預(yù)處理后，液相中STOC和STN濃度相對(duì)于未處理樣增加倍數(shù)分別為7.62和4.97。兩種堿處理技術(shù)不僅分解污泥最外層的絮狀結(jié)構(gòu)，而且能夠破壞微生物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，促使污泥顆粒粒徑急劇變小，粒徑小于17μm的污泥顆

4、粒占總數(shù)50％以上。然而在超聲波-酸和熱-酸作用下，僅有部分的污泥絮狀結(jié)構(gòu)分解，污泥的顆粒粒徑變化并不明顯。 (3)研究了污泥預(yù)處理后對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸效率的影響。熱-堿和超聲波-堿預(yù)處理后的污泥厭氧發(fā)酵生成的總酸分別比未預(yù)處理污泥提高59.1％和68.2％，均顯著高于兩種酸預(yù)處理技術(shù)?？扇苄缘鞍踪|(zhì)為兩種堿處理污泥中VFAs產(chǎn)生的主要來源。此外，分析固相中有機(jī)質(zhì)的含量在發(fā)酵過程中的變化，發(fā)現(xiàn)超聲波-堿和熱-堿預(yù)處理階段未融出的有機(jī)

5、質(zhì)在隨后的厭氧發(fā)酵過程并未進(jìn)一步水解酸化。不同于兩種堿處理技術(shù)，熱-酸和超聲波-酸預(yù)處理后污泥的脂肪酸產(chǎn)率卻低于未處理污泥。綜合考慮預(yù)處理成本和產(chǎn)酸效率，確定熱.堿為最佳的預(yù)處理技術(shù)。 (4)研究了pH對(duì)污泥預(yù)處理液中可溶性的蛋白質(zhì)的沉降影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)pH值從12.0調(diào)節(jié)到3.0時(shí)，可溶性蛋白質(zhì)的濃度在堿性條件下減小比較緩慢，在酸性條件下則轉(zhuǎn)為迅速。此外，在pH值調(diào)節(jié)過程中沉降下來的大部分蛋白質(zhì)在厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸過程中并未被轉(zhuǎn)

6、化形成VFAs。 (5)當(dāng)調(diào)控厭氧發(fā)酵過程pH在3.0～12.0時(shí)，促使液相VFAs分布特征發(fā)生變化的原因是由于pH的調(diào)控改變了厭氧微生物的種群結(jié)構(gòu)。厭氧發(fā)酵過程pH條件不同，優(yōu)勢(shì)菌群也不相同。在pH值為12.0時(shí)，優(yōu)勢(shì)菌為顆粒鏈菌屬(Granulicatella)；pH為10.0時(shí)則演變?yōu)橄溓蚓鷮?Peptostreptococcus)；當(dāng)發(fā)酵過程pH降為7.0和5.0時(shí)，梭菌屬(Clostridium)卻成為優(yōu)勢(shì)產(chǎn)酸菌

7、；而pH值為3.0時(shí)優(yōu)勢(shì)菌則為芽孢桿菌屬(Bacillus)。 (6)控制厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸過程pH為10.0時(shí)，通過FISH技術(shù)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的數(shù)量及其微少，相對(duì)豐度僅為總細(xì)菌的0.01％。乙酸的累積主要是消化鏈球菌屬通過氨基酸之間的Stickland反應(yīng)形成的。pH為10.0的條件不僅能夠抑制產(chǎn)甲烷菌的活性，而且能夠抑制硫酸鹽還原菌的生長(zhǎng)。同其它pH值條件下厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸相比，控制厭氧發(fā)酵過程在pH值為10.0，可以顯著改善

8、污泥預(yù)處理的產(chǎn)酸效率，并維持穩(wěn)定的酸產(chǎn)量。 (7)調(diào)控發(fā)酵底物的初始C/N可實(shí)現(xiàn)不同發(fā)酵產(chǎn)酸類型。初始C/N在12～44時(shí)，形成的是乙酸型發(fā)酵類型：當(dāng)初始C/N在56～69范圍內(nèi)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)丙酸型發(fā)酵類型；而當(dāng)C/N處于156～256時(shí)，則形成丁酸型發(fā)酵。不同發(fā)酵產(chǎn)酸類型的形成是由優(yōu)勢(shì)產(chǎn)酸菌群的改變導(dǎo)致的。C/N值在12～69范圍內(nèi)，H2和CO2的增長(zhǎng)都較為緩慢，但當(dāng)C/N值提高到156～256時(shí)，二者的產(chǎn)率迅速提高。初始C/N