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

1、城市污泥產(chǎn)生總量隨著國民經(jīng)濟持續(xù)快速發(fā)展迅速地增加，因此發(fā)展經(jīng)濟有效的污泥處理處置技術迫在眉睫。由于污泥中含有較高的有機質(zhì)，將這些廉價的有機質(zhì)轉化生產(chǎn)高附加值生物化學品，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處理技術的基礎上，對厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的pH和底物初始C/N控制策略開展了研究，通過結合末端限

2、制性片斷長度多樣性分子技術和熒光原位雜交技術對發(fā)酵產(chǎn)酸過程中的微生物種群結構和促使乙酸累積的微生物學機理進行了解析，并在檢測形成揮發(fā)性脂肪酸的代謝途徑中的關鍵酶的活性基礎上，進一步探討了促使不同單酸累積的主要代謝途徑。主要的研究結果如下： (1)直接利用污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸，發(fā)酵結束時蛋白質(zhì)、碳水化合物和揮發(fā)性有機質(zhì)三者的含量均超過67％。有機質(zhì)轉化率較低，導致?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-酸預處理技術對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質(zhì)融出效率。污泥中有機質(zhì)和蛋白類物質(zhì)融出率分別達到60.2％～61.6％和66.8％～67.5％。此外，在熱-堿和超聲波.堿預處理后，液相中STOC和STN濃度相對于未處理樣增加倍數(shù)分別為7.62和4.97。兩種堿處理技術不僅分解污泥最外層的絮狀結構，而且能夠破壞微生物的細胞結構，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構分解，污泥的顆粒粒徑變化并不明顯。 (3)研究了污泥預處理后對厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸效率的影響。熱-堿和超聲波-堿預處理后的污泥厭氧發(fā)酵生成的總酸分別比未預處理污泥提高59.1％和68.2％，均顯著高于兩種酸預處理技術?？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-堿預處理階段未融出的有機

5、質(zhì)在隨后的厭氧發(fā)酵過程并未進一步水解酸化。不同于兩種堿處理技術，熱-酸和超聲波-酸預處理后污泥的脂肪酸產(chǎn)率卻低于未處理污泥。綜合考慮預處理成本和產(chǎn)酸效率，確定熱.堿為最佳的預處理技術。 (4)研究了pH對污泥預處理液中可溶性的蛋白質(zhì)的沉降影響。結果發(fā)現(xiàn)，當pH值從12.0調(diào)節(jié)到3.0時，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

6、化形成VFAs。 (5)當調(diào)控厭氧發(fā)酵過程pH在3.0～12.0時，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構。厭氧發(fā)酵過程pH條件不同，優(yōu)勢菌群也不相同。在pH值為12.0時，優(yōu)勢菌為顆粒鏈菌屬(Granulicatella)；pH為10.0時則演變?yōu)橄溓蚓鷮?Peptostreptococcus)；當發(fā)酵過程pH降為7.0和5.0時，梭菌屬(Clostridium)卻成為優(yōu)勢產(chǎn)酸菌

7、；而pH值為3.0時優(yōu)勢菌則為芽孢桿菌屬(Bacillus)。 (6)控制厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸過程pH為10.0時，通過FISH技術檢測發(fā)現(xiàn)產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的數(shù)量及其微少，相對豐度僅為總細菌的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。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可實現(xiàn)不同發(fā)酵產(chǎn)酸類型。初始C/N在12～44時，形成的是乙酸型發(fā)酵類型：當初始C/N在56～69范圍內(nèi)時，可實現(xiàn)丙酸型發(fā)酵類型；而當C/N處于156～256時，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)勢產(chǎn)酸菌群的改變導致的。C/N值在12～69范圍內(nèi)，H2和CO2的增長都較為緩慢，但當C/N值提高到156～256時，二者的產(chǎn)率迅速提高。初始C/N