超高温好氧发酵工艺加速污泥堆肥腐熟过程研究

摘要

随着我国城镇污水处理行业快速发展，污泥作为城市污水处理厂产生的副产物，其产量也急剧增加。污泥本身含有大量可生物降解的有机物，未经处理随意排放会造成严重的环境污染。传统好氧发酵工艺是城市污泥无害化、减量化、资源化处理的有效方法，目前仍然存在发酵温度低、周期长等问题从而限制了其广泛应用。为了克服传统高温好氧发酵工艺的缺陷，本课题组前期开发出了一种全新的污泥超高温好氧发酵工艺，并建立了污泥处理规模为600t/d的产业化示范工程。本文主要在工厂规模条件下开展了城市污泥超高温好氧发酵（HTC）和传统高温好氧发酵（TC）工艺特点的对比研究，重点分析HTC堆肥过程、微生物群落结构动态变化、堆肥中溶解性有机物（DOM）结构变化等，以期为HTC工艺的推广提供理论依据和技术支持。 分析测定了HTC和TC堆肥过程中温度、有机质、含水率等14项理化和生化参数，结果发现HTC工艺与TC存在显著差异。HTC能够快速进入≥80℃的超高温阶段（第1d升温至86℃）并持续9d，堆体最高温度可达93.4℃（第3d），整个堆肥过程中50℃以上的高温阶段持续了21d，明显促进了堆体中有机质降解和堆肥腐熟。当堆肥结束时，HTC中有机质和全氮含量分别减少了21.2%和11.6%，而TC有机质和全氮含量分别减少了15.9%和19.5%；HTC堆肥种子发芽指数（GI）达到102.7%（第24d时为96.9%），而TC仅仅达到65.4%，表明HTC工艺能够显著提高堆体温度、加速有机物降解和促进堆肥腐熟，从而明显缩短堆肥周期，提高堆肥效率。和TC工艺相比，HTC体现出了显著的技术经济优势和广泛应用前景。 利用16S rRNA高通量测序技术研究了HTC和TC过程中微生物群落结构变化情况，并采用典范对应分析（CCA）研究了堆肥过程中理化参数与微生物群落结构的相互关系。微生物群落结构分析结果表明，HTC过程展现了与TC截然不同的细菌群落结构变化趋势，特别是在HTC的超高温和高温阶段，Thermaceae（相对丰度28.0~53.3%）和Thermoactinomycetaceae（相对丰度4.0~36.1%）成为了科水平上的优势细菌。CCA分析结果指出HTC超高温和高温阶段的微生物群落组成与堆体温度呈现显著正相关关系，表明Thermaceae和Thermoactinomycetaceae等嗜热微生物是导致HTC出现超高温并加速有机质降解和促进堆肥腐熟的主要原因。GI、pH和NH4+-N等参数与腐熟堆肥中的优势微生物群落存在显著相关性，这些指标都表明HTC工艺可以使污泥堆肥在24d左右实现腐熟。 采用紫外-可见光谱法（UV-Vis）、傅里叶红外光谱法（FTIR）和三维荧光光谱法（3D-EEM）等方法研究了HTC和TC过程中DOM的结构特征及其变化规律。与TC相比，HTC过程中E253/E203、SUVA280和A240~400等6个UV-Vis光谱指标在0~24d变化显著，表明HTC堆体中DOM的芳香化和堆肥腐殖化程度逐渐增强。当堆肥结束时，FTIR结果表明堆肥结束时HTC堆体中的多糖、脂肪族和酰胺等成分的减少量及芳香结构成分增加量明显大于TC。3D-EEM光谱结合积分区域法（FRI）分析指出，HTC堆体中DOM的类蛋白物质在超高温阶段的0~6d几乎完全被降解，腐殖酸和富里酸类物质在0~24d大量形成，堆肥在高温阶段达到完全腐熟。平行因子（FARAFAC）分析进一步表明HTC工艺不仅可缩短堆肥周期，而且还可提高堆肥质量。上述DOM的光谱学表征结果与堆肥过程中理化参数、微生物群落组成等分析结果共同指出，HTC工艺可明显加快堆肥腐熟进程，缩短污泥发酵周期，在有机固废资源化领域具有极大的应用潜力。

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