污水廠剩余污泥水解及其厭氧發(fā)酵產氫技術研究.pdf

1、城市污水處理過程中會產生大量的剩余污泥，污泥的處理是污水處理廠所面臨的一個重要問題。污泥中含有大量有機物，如蛋白質、碳水化合物等。 目前較常用的污泥處理方法是厭氧消化，一方面能夠減少污泥的重量和體積，另一方面能以沼氣(主要成分為甲烷)的形式回收污泥中生物質能。但污泥中的有機物大部分為細胞物質，這些有機物為細胞壁所包裹，難以為微生物所利用，微生物要利用這些物質，首先必須水解污泥中微生物的細胞壁，將胞內物質釋放出來，使之轉化為溶解

2、性物質。 正是這個水解過程造成污泥消化過程停留時間長。氫氣是污泥厭氧消化的一種中間產物，在厭氧初期的水解酸化階段產生，隨后會迅速被污泥中存在的甲烷菌和硫化菌等耗氫菌所消耗，因此通常很難在污泥的厭氧消化過程中獲得氫氣。如果通過適當?shù)念A處理使污泥融胞、釋放有機質，并抑制耗氫菌，則可獲得穩(wěn)定的產氫量。氫氣是清潔能源，燃燒時僅產生水。 而且氫氣燃燒產生的熱量(142.35 kJ/g)是碳氫燃料的2.75倍。因此，收獲氫氣更具

3、有很高的經濟價值。本課題立足于國內外最新的研究成果，對污泥水解和污泥發(fā)酵產氫進行了較系統(tǒng)的研究。 運用熱處理、超聲波處理和微波處理3種方法預處理污水廠剩余污泥，考察不同預處理方法在不同的處理強度和處理時間下，其對污泥破解效果的影響。結果表明，污泥破解效果隨處理強度的增加而增強。超聲波處理在能量密度ED=2W/L條件時，污泥的破解效果最好，其中可溶解性蛋白質和總糖濃度在脈沖輻射10 min時達到最大值分別為1013.7 mg/L

4、和512.6 mg/L，可溶性化學需氧量(SCOD，Soluble Chemical Oxygen Demand)濃度在連續(xù)輻射10 min時達到最大為4184.0 mg/L； SCOD/TCOD值較原始污泥升高了41.7％。從經濟學角度考慮，低強度長時間的處理往往都能夠達到較好的污泥破解效果，即熱處理(t=75 min，T=45℃)，超聲波處理(t=10 min，ED=0.5 W/L)，微波處理(t=300 s，P=70 W)。另外，

5、在能耗相同的條件下，污泥的破解效果為：超聲波處理>微波處理>熱水解處理。 研究了嗜熱酶污泥溶解(S-TE，Solubilization by Thermophilic Enzymes)技術對污泥水解效果的影響。從土壤中篩選出一株能分泌胞外酶、促進污泥溶解的嗜熱菌Bacillus sp.AT07-1(注冊號：FJ231108)。在65℃和微曝氣條件下，將AT07-1菌液接種到兩種不同濃度的剩余污泥中，總懸浮固體(TSS，Tota

6、l Suspended Solid)濃度分別為14和21g/L，并與未接種嗜熱菌進行對比。結果表明，S-TE污泥溶解存在兩種反應：酶催化反應和熱水解反應；兩個過程：嗜熱菌胞外酶(主要是蛋白酶和淀粉酶)首先解聚污泥膠團，然后溶解細菌細胞壁，水解胞內有機物質。接種嗜熱菌AT07-1比不接種促進了污泥中懸浮固體的溶解；SCOD和揮發(fā)性脂肪酸(VFA，Volatility Fatty Acid)得到最大累積，最大累積量SCOD分別為8222.5

7、mg/L，和11265.8 mg/L；VFA分別為4285.8μg/L和5578.4μg/L，這有利于厭氧消化產氣；蛋白質和總糖被嗜熱菌先水解后消耗，濃度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。研究了S-TE溶解技術對污泥中固形物的影響。將AT07-1菌液接種入不同濃度(TSS約為7.5、14.5和20.5 g/L)的剩余污泥中，于65℃進行嗜熱酶溶解試驗，并與未接種試驗進行對比，并對揮發(fā)性懸浮固體(VSS，Volatile Suspended Sol

8、id)的溶解進行了動力學分析。結果表明，接種Bacillus sp.AT07-1比不接種促進了污泥中懸浮固體的溶解。60 h時接種試驗不同濃度下VSS的溶解率分別為61.4％、53.8％和41.9％，比不接種試驗同期分別提高了27.6％、25.2％和16.3％。試驗條件下VSS溶解過程在初始階段(t=3 d)符合一級反應動力學模型，低濃度下接種嗜熱菌溶解速率常數(shù)Kd顯著提高。 為了提高污泥產氫的純度和產氫率，采用Hungate

9、厭氧培養(yǎng)技術，分別從厭氧顆粒污泥中分離出高效產氫菌Pseudomonas sp.GZ1(注冊號： EF551040)，從河底泥中分離出高效產氫菌Enterococcus sp.LG1(注冊號：FJ231108)，并分析其16S rRNA堿基序列，為后面的污泥產氫研究做準備。 采用厭氧發(fā)酵的方法研究Pseudomonas sp.GZ1利用熱處理(滅菌)、微波處理和超聲波處理污泥的產氫效果，對3種預處理方法對污泥產氫效果的影響及其

10、原因進行了重點分析，并對污泥發(fā)酵過程中底物性質變化(SCOD、可溶性蛋白質、總糖和pH值等)進行了探討。 實驗結果顯示，產氫菌Pseudomonas sp.GZ1發(fā)酵各預處理污泥過程中均只有H2和CO2產生，無CH4產生。3種不同預處理污泥同等條件下發(fā)酵，熱處理(滅菌)污泥的產氫效果最佳，氫氣含量高達81.5％，產氫率為15.0 mlH2/gCOD。超聲波處理污泥產氫延遲時間最短(3 h)；熱處理(滅菌)污泥最長(15 h)。

11、在預處理污泥發(fā)酵產氫過程中，各種營養(yǎng)物質變化情況各不相同，尤其是熱處理(滅菌)污泥，這說明不同的預處理方法影響Pseudomonaa sp. GZ1發(fā)酵過程對污泥中營養(yǎng)物質的利用。其中污泥釋放出的重金屬濃度和VFA的產生量是影響污泥產氫差異的主要因素。研究了熱處理(滅菌)污泥及其濾液作為底物發(fā)酵產氫。 接種產氫菌Pseudomonas sp.GZ1后，測定兩種不同底物發(fā)酵反應過程中氫氣的產量，以及底物的變化情況。實驗結果表明，

12、利用預處理后的污泥濾液作為底物能夠有效提高氫氣產量。濾液發(fā)酵的產氫量達到了4.5mgH2/gCOD，比使用預處理污泥發(fā)酵產氫提高了近3.3倍。本實驗證明污泥中的固態(tài)物質在發(fā)酵過程中能釋放出更多的營養(yǎng)物質，但并非所有的底物都能被產氫菌有效地利用來產生氫氣。利用一種新型的重金屬吸附劑.碳氫磷灰石(CHAP， Carbonate Hydroxylapatite)去除微波處理后污泥中溶解態(tài)重金屬。以不同CHAP投加量的預處理污泥作為底物，接種產

13、氫菌Enterococcus sp.LG1比較其厭氧發(fā)酵產氫效果。 研究結果表明，當CHAP的投加量為5g/L(污泥)時，產氫發(fā)酵效果最好，產氫量最大為10.6 mlH2/gCOD，產氫率比未投加CHAP的預處理污泥提高了30％；而當CHAP的投加量≥10g/L(污泥)，產氫發(fā)酵開始受到明顯的抑制。文章結合重金屬、SCOD、可溶性蛋白質、總糖和pH值的變化，分析了產生差異的原因，證實了適當重金屬去除能夠有效提高污泥氫氣產量。

14、 利用S-TE水解污泥為底物，考察了在不添加任何外在營養(yǎng)物質的情況下，接種嗜熱菌Bacillus sp.AT07-1和不接種嗜熱菌(65℃熱處理)，接種產氫菌(Enterococcus sp.LG1)和不接種產氫菌共四種條件下，研究污泥的發(fā)酵產氫效果。同時分析探討了污泥發(fā)酵產氫過程中底物和pH值的變化。 結果表明，經S-TE預處理的污泥在未接種外在產氫菌時，產氫效果良好，最大產氫率高達16.3mlH2/gVS，高出65

15、℃熱處理污泥接種產氫菌(Enterococcus sp.LG1)15.6％，高出65℃熱處理污泥未接種產氫菌26.4％，發(fā)酵氣體中只含有H2和CO2，不含CH4，產氫延遲時間短(3～4 h)，產氫率達最大值后能較穩(wěn)定地維持10 h以上；S-TE預處理污泥接種產氫菌后，產氫效果不佳，最大產氫率僅為10.7 mlH2/gVS。 說明直接使用S-TE水解污泥發(fā)酵產氫，無須接種產氫菌就可以達到非常好的產氫效果。 污泥的水解程