生物炭对剩余污泥与城市生物质废弃物联合厌氧消化的影响

摘要

我国城市污水处理厂剩余污泥产量大且稳定化比例低。随着城市污水处理率日益提高和污泥处理处置规范愈加严格，如何合理有效地处理处置大量伴随而来的污泥也备受关注。厌氧消化技术可以在使污泥稳定化的同时实现能量的回收，缓解环境污染和能源危机。但由于我国污泥泥质特殊使得污泥的厌氧消化效果并不理想。另一方面，我国的城市生物质废弃物有机质含量高，产生量大，然而并未得到资源化利用。将剩余污泥与城市生物质废弃物联合厌氧消化可以提高消化的效率和经济性，但是城市生物质性质多变，就算是同种生物质在时间和空间尺度上也差异巨大。因此，合理的联合厌氧消化物料混合比例难以确定，消化系统的稳定性也难以保证。生物炭是一种环境友好且价廉易得的材料，有研究发现生物炭可以提高厌氧消化的效率和稳定性。重庆地区柑橘资源丰富，大量的柑橘皮废弃物没有得到良好的资源化利用。在课题组前期的剩余污泥与生物质废弃物共消化研究的基础上，本研究首次将以柑橘皮为原料制备的生物炭用于剩余污泥与园林垃圾或餐厨垃圾的联合厌氧消化以探究生物炭对于剩余污泥和城市生物质废弃物联合厌氧消化的影响及潜在的机理。　　本研究以柑橘皮为原料，在500℃的条件下以氮气为保护气裂解1 h制备的柑橘皮生物炭属中孔炭，比表面积为 6.59 m2/g。柑橘皮生物炭中的主导元素为 C、N、O、H四种元素并且其中含有方解石结晶和白云石结晶。生物炭中丰富的碱金属（Na, K）和碱土金属（Ca, Mg）以及碱性官能团使得其呈碱性，pH值为10.06。柑橘皮生物炭对典型挥发性脂肪酸具有良好的缓冲能力。　　柑橘皮生物炭对于剩余污泥与园林垃圾的VS比为1∶1的共消化系统在沼气和甲烷的产量方面存在负面作用，但能够小幅提高沼气中甲烷的含量。相较于对照组，实验组的累积甲烷产量分别减少了31.3%、10.3%、15.6%、3.4%，而甲烷含量分别提高了2.8%、9.5%、10.5%、6.9%。柑橘皮生物炭对该消化系统的有机物去除效率无明显影响，但可以提高系统的碱度、沼渣的脱水性能以及微生物的丰度与多样性。由于生物炭呈碱性，加入生物炭之后实验组中的VFAs浓度低于对照组。　　当柑橘皮生物炭用于剩余污泥与餐厨垃圾的联合厌氧消化系统时，各系统的沼气和甲烷的产量以及甲烷含量均有不同程度的提高。A组（剩余污泥和餐厨垃圾的VS比为1∶1）中实验组的甲烷产量和甲烷含量最高分别提升了147.7%和48.9%；B组（剩余污泥和餐厨垃圾的VS比为1∶2）中的对照组由于酸化导致系统崩溃，实验组的甲烷产量和甲烷含量最高分别提升了 38.88 倍和 7.63 倍。生物炭的加入能够缓解系统酸化，缩短消化的迟滞期，显著提升系统的稳定性和对有机物的降解能力。此外，生物炭也可以提高沼渣的脱水性能以及微生物的丰度和多样性。实验证明，生物炭还可以提高Methanosaeta（甲烷鬃毛菌属）与Geobacter（土杆菌）的相对丰度，促进互养微生物间形成DIET产甲烷路径，改变有机酸的代谢路径，提高厌氧消化的效率。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景

1.2.1 污泥的特点与处理处置现状

1.2.2 城市生物质废物的特点与处理现状

1.3.1 厌氧消化的原理

1.3.2 厌氧消化的主要影响因素

1.3.3 联合厌氧消化

1.4.1 生物炭的来源与特性

1.4.2 生物炭用于厌氧消化的研究现状

1.5.1 研究的目的和意义

1.5.2 主要研究内容

2 实验材料与分析测试方法

2.1 实验材料

2.2 实验装置

2.3 分析测试方法

2.3.1 常规指标分析测试

2.3.2 溶解性蛋白、多糖的测定

2.3.3 气体成分、挥发性脂肪酸浓度的测定

2.3.4 产气动力学计算

2.3.5 微生物群落多样性测序

2.3.6 生物炭的表征

2.3.7 生物炭对挥发性脂肪酸的缓冲作用

3 生物炭理化性质及其对挥发性脂肪酸的缓冲作用

3.1引言

3.2 生物炭表征结果

3.3 生物炭对挥发性脂肪酸的缓冲能力探究

3.4 本章小结

4 生物炭对剩余污泥与园林垃圾联合厌氧消化的影响

4.1 引言

4.2 实验材料与方法

4.3 实验结果与讨论

4.3.1 生物炭对厌氧消化产沼气的影响

4.3.2 生物炭对甲烷产量及沼气成分的影响

4.3.3 厌氧消化产甲烷动力学

4.3.4 消化过程中SCOD、溶解性蛋白、多糖变化情况

4.3.5 消化过程中pH、碱度、氨氮变化情况

4.3.6 电导率变化和沼渣脱水性能比较

4.3.7 消化过程中VFAs变化情况

4.3.8 微生物群落结构分析

4.4 本章小结

5 生物炭对剩余污泥与餐厨垃圾联合厌氧消化的影响

5.1 引言

5.2 实验材料与方法

5.3 实验结果与讨论

5.3.1 生物炭对厌氧消化产沼气的影响

5.3.2 生物炭对甲烷产量及沼气成分的影响

5.3.3 厌氧消化产甲烷动力学

5.3.4 消化过程中SCOD、多糖、溶解性蛋白变化情况

5.3.5 消化过程中pH、碱度、氨氮变化情况

5.3.6 电导率变化和沼渣脱水性能比较

5.3.7 消化过程中VFAs变化情况

5.3.8 微生物群落结构分析

5.4.1 实验设计

5.4.2 结果与讨论

5.5 本章小结

6 结论与建议

6.1 结论

6.2 建议

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文

B. 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目

C. 学位论文数据集

致谢