烷基多苷强化剩余污泥厌氧发酵及其发酵液作为碳源强化生物除磷的研究

摘要

目前，随着我国经济的迅速发展，人口日益增加，导致污水排放总量不断增加，污水中污染物的有效去除是遏制水体富营养化的重要途径。活性污泥法由于其生物处理效率高，易维护，运行成本低等优点而广泛被城镇污水处理厂采用，然而该策略具有的一个弊端-大量剩余污泥的产生。剩余污泥中携带重金属和病原体等有毒有害物质，若剩余污泥得不到有效地处置会对环境造成二次污染。此外，污泥中还含大量的有机物，若将污泥直接焚烧或者填埋将会造成大量有机物的浪费。污泥厌氧消化可实现有机物的资源化，同时可实现污泥减量化与无害化。因此污泥厌氧消化技术被认定为污泥治理较有前景的处置策略。　　城镇污水处理厂生物除磷（BPR）技术能实现污水处理磷酸盐的去除。BPR效能受碳源种类及浓度影响，然而我国城镇污水处理厂，特别南方地区污水处理厂进水碳源严重不足从而导致进水C/P过低，限制了PAO的生长繁殖及富集，最终导致BPR效能低下。强化生物除磷的技术常采用直接添加工业碳源（如乙酸钠，甲醇等），改变工业运行条件（双污泥法）等。然而直接添加碳源需要消耗大量的化学物质，而改变工艺条件需要增加基建成本且工艺运行复杂。应用污泥发酵液强化生物除磷今年来得到研究者关注。富含短链脂肪酸（SCFA）的污泥发酵液经过氮磷去除后可以直接引入城镇污水厂进水以补充碳源，从而提高BPR效能。O/EI工艺是本课题组研发的新型生物除磷工艺，该工艺运行条件简单且BPR效率高。然而关于污泥发酵液强化好氧/延长闲置（O/EI）生物除磷的研究尚未报道，并且污泥发酵液作为碳源对新型O/EI工艺和传统A/O工艺的BPR效能比较及营养盐，内聚物的变化也不明确。　　首先，以剩余污泥为发酵基物，在中温环境下利用序批式反应器探究了生物表面活性剂烷基多苷（APG）对剩余污泥厌氧水解，酸化过程的影响。结果表明APG能够促进污泥厌氧水解和酸化过程，并且当APG的投加量由0增加至0.2g/g时，污泥厌氧发酵过程中SCOD的最大含量由612mg/L增加至4561mg/L，溶解性蛋白质的含量由305mg/L增加至2410mg/L，溶解性多糖的含量由171mg/L增加至1368mg/L。进一步增加APG的剂量至0.3g/g时，溶解性有机物的含量增加不显著，因此APG的最佳投放剂量为0.2g/g。此外，APG能够促进SCFA的积累，并且当APG投加量为0.2g/g时，SCFA的最大产量为125.3mg/g，是空白组的1.5倍，最佳发酵时间为6d，显著小于空白组。SCFA组分中乙酸和丙酸所占比例最大。进一步研究表明APG自身降解对SCFA的贡献较小，且APG能减少污泥表面张力，当APG投加量为0.2g/g时，污泥表面张力下降值可达42.3mN/m，显著高于低浓度APG投加实验组。　　其次，针对初始pH为污泥厌氧发酵过程重要参数的特性，研究者在中温环境下探究了初始pH对APG强化剩余污泥厌氧发酵的影响。结果表明在碱性pH（10，11和12）下，SCOD显著高于近中性pH（6.0和8.0）、酸性pH（4.0和5.0）或空白pH（6.8），进一步研究结果表明初始碱性pH可促进蛋白质和多糖的水解，并且最佳初始pH为11。乙酸是最普遍SCFA的组分，丙酸是所有初始pH中的第二个体SCFA，乙酸和丙酸在初始pH11的反应组别中的最大浓度为1169和463mgCOD/L。碱性条件下NH4+-N和PO43--P的浓度明显高于中性或酸性条件下的浓度，本研究中NH4+-N释放量要大于PO43--P，在初始pH碱性环境下，释放的PO43--P可与碱发生反应从而产生沉淀。　　再者，APG强化污泥厌氧发酵产SCFA的产量仍存在提高的可能，研究者探究了游离亚硝酸（FNA）协同APG强化污泥厌氧发酵。当FNA联合APG时，SCFA产量呈现急剧上升，并且SCFA的产量与FNA的浓度存在密切相关性。当FNA浓度为0.51mg/L时，SCFA的最大产率为248.4mg/g，当FNA浓度进一步增加到1.54mg/L时，SCFA的最大产量也增加至354.9mg/g。然而，进一步提高FNA浓度至2.13mg/L，SCFA浓度却下降至298.4mg/g。当FNA和APG结合时，污泥分解过程中的SCOD/TCOD急剧增加。当FNA浓度为0.51mg/L时，SCOD/TCOD最大值为0.31，FNA浓度进一步增加到1.54和2.31mg/L，SCOD/TCOD比值继续增加到0.37和0.39。随着FNA浓度的增加，SCOD/TCOD比值呈上升趋势。FNA联合APG对污泥水解和酸化过程具有协同作用，当FNA与APG联合使用，BSA在3d的降解率提高到68.9%，明显高于单独使用FNA和APG的降解率。FNA与APG联合时，葡聚糖，L-丙氨酸及葡萄糖的降解效率同样高于单独实验组。FNA和APG联合应用对蛋白酶和α-葡萄糖苷酶、AK和BK代谢活性的影响显著高于单独使用FNA和APG。然而联合作用组中F420关键酶的活性显著低于单独使用FNA和APG的组别。　　最后，研究者在室温环境下探究了APG强化剩余污泥厌氧发酵液作为碳源强化新型好氧/延长闲置（O/EI）生物除磷工艺除磷性能的可行性，并进一步比较了富含SCFA的污泥发酵液作为碳源对新型O/EI和传统厌氧/好氧（A/O）工艺除磷效能。结果表明当APG强化污泥发酵液用作碳源时，O/EI工艺稳定出水COD和磷酸盐的含量分别为23mg/L和0.89mg/L，相应的去除效率为94.1%和91%，说明APG强化剩余污泥厌氧发酵液可作为生物除磷的碳源。此外，当污泥发酵液作为碳源时，O/EI生物除磷工艺除磷效果高于传统A/O工艺，机理探究表明当污泥发酵液作为碳源时，O/EI工艺富集更大相对丰度的PAO，PAO的相对丰度约为38.2%。O/EI工艺稳定运行时单位周期中NO2--N的最大含量为4.12mg/L，低于A/O工艺。酶活性分析表明O/EI工艺中PPK和ACS的活性高于传统A/O工艺。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.1.1 我国水环境污染现状

1.1.2 我国污泥处理处置现状

1.2 剩余污泥厌氧发酵的基本原理

1.3 剩余污泥厌氧发酵过程生态学机理

1.4 生物除磷的基本原理

1.5 O/EI生物除磷工艺研究进展

1.6 生物表面活性剂强化剩余污泥厌氧发酵

1.6.1 表面活性剂在环境领域中的应用

1.6.2 烷基多苷及其应用

1.7 污泥厌氧发酵产酸在污水脱氮除磷中的应用

1.8 本课题研究目的与主要内容

1.8.1 研究目的与主要内容

1.8.2 研究技术路线

第2章 烷基多苷强化剩余污泥厌氧水解，酸化的研究

2.1 引言

2.2 材料与方法

2.2.1 污泥与APG来源

2.2.2 APG对污泥厌氧水解，酸化过程的影响

2.2.3 APG自身降解对SCFA贡献及生物作用判定

2.2.4 APG对污泥厌氧发酵水解，酸化及甲烷化过程的影响

2.2.5 APG对污泥厌氧关键酶活性及微生物群落结构的影响

2.2.6 分析方法

2.3 结果与讨论

2.3.1 APG对污泥厌氧发酵SCOD含量的影响

2.3.2 APG对污泥厌氧发酵溶解性蛋白质和多糖的影响

2.3.3 APG对污泥厌氧发酵液中NH4+-N及磷酸盐释放的影响

2.3.4 APG对污泥厌氧产SCFA及其组分的影响

2.3.5 APG自身降解对SCFA的贡献

2.3.6 APG对污泥表面张力及结构的影响

2.3.7 APG对水解，酸化及甲烷化过程模拟物降解的影响

2.3.8 APG对污泥厌氧发酵过程中关键酶活性及微生物结构的影响

2.3 本章小结

第3章 初始pH对APG强化污泥厌氧发酵的影响

3.1引言

3.2 材料与方法

3.2.1 污泥来源及APG

3.2.2 不同初始pH值对添加APG强化污泥产SCFA的影响

3.2.3 初始pH对添加APG强化污泥产甲烷过程的影响

3.2.4 分析方法

3.2.5 统计分析

3.3 结果与讨论

3.3.1 初始pH值对污泥水解的影响

3.3.2 初始pH对SCFA生产和组成的影响

3.3.3 不同初始pH影响下污泥发酵过程中酶活性分析

3.3.4 初始pH值对NH4+-N和PO43--P释放的影响

3.3.5 初始pH值对产甲烷化过程的影响

3.4 本章小结

第4章 FNA与生物表面活性剂烷基多苷协同作用对污泥厌氧发酵的影响

4.1 引言

4.2 材料与方法

4.2.1 FNA投加量对APG诱导污泥厌氧发酵的影响

4.2.2 FNA与APG联用对该批试验中污泥分解的影响

4.2.3 FNA联合APG对水解酸化和甲烷生成过程的影响

4.2.4 FNA联合APG对污泥厌氧发酵关键酶活性的影响

4.2.5 分析方法

4.3 结果与讨论

4.3.1 FNA浓度对SCFA产量的影响

4.3.2 FNA联合APG对污泥裂解的影响

4.3.3 FNA联合APG对水解、酸化和甲烷化过程中模拟化合物降解的影响

4.3.4 FNA联合APG对污泥厌氧发酵关键酶活性的影响

4.3.5 FNA和APG联合用于厌氧发酵的意义

4.4 本章小结

第5章 利用污泥发酵液强化生物脱磷新工艺的可行性

5.1 引言

5.2 实验设置

5.2.1 污泥发酵液的制备

5.2.2 合成废水与接种污泥

5.2.3 发酵液应用于新型O/EI反应器中强化BPR的可行性

5.2.4 发酵液应用于A/O和O/EI反应器BPR性能的比较

5.2.5 分析方法

5.3 结果与讨论

5.3.1 发酵液作为碳源改善O／EI体系BPR的可行性研究

5.3.2 A/O和O/EI反应器应用APG诱导污泥发酵液作为碳源时BPR性能比较

5.3.3 应用APG诱导发酵液提高O/EI反应器的BPR性能的机理探究

5.3.4 发酵液作为碳源对BPR关键酶的影响

5.4 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读博士学位期间所发表的学术论文目录

附录B 攻读博士学位期间主持和参与的科研项目

附录C 攻读博士学位期间申请的专利