低有机质剩余污泥VFA碳源高效转化技术

摘要

基于目前国内城镇污水处理厂进水碳源普遍不足的问题，有学者提出了剩余污泥碳源化的理念。相对剩余污泥填埋处置，这是一种很好的资源再利用的措施。目前，在剩余污泥碳源化过程中，大多采用物理或物理化学方法，破坏细胞壁，实现剩余污泥细胞内有机物释放。现有研究表明，经过细胞破壁处理后的污泥中低分子有机物或VFA占比低，通过水解酸化处理有助于提高VFA的含量。但是，破壁污泥的发酵时间通常较长、且VFA转化率不高，制约了剩余污泥的碳源化利用。目前，城镇污水厂剩余污泥的无机质含量越来越高，在查阅资料范围内发现，鲜有与低有机质剩余污泥碳源化研究相关的文献。针对以上问题，论文在课题组前期“剩余污泥微波处理碱溶淘洗技术”研究成果的基础上，以微波热处理后低有机质剩余污泥为对象，采用对比实验方法，系统研究了微波预处理后的污泥混合液、污泥离心上清液、污泥静沉混合上层液在发酵过程中的VFA转化特性，研究了零价铁辅助酸化发酵技术，在原来的“污泥微波处理碱溶淘洗”的基础上，形成了可以去除原生污泥中高无机质影响的污泥静沉混合上层液发酵的技术，辅助零价铁酸化发酵，实现了低有机质剩余污泥VFA碳源高效转化。主要研究成果如下：　　①对VSS/SS比值为0.34低有机质剩余污泥进行微波处理碱溶淘洗，将预处理后的污泥混合液进行水解发酵实验，研究了水解酸化发酵温度、pH值以及零价铁对剩余污泥碳源化效果的影响。研究发现：传统混合液发酵随着温度的升高，剩余污泥的碳源化效果得到提高；对比了多个温度对污泥碳源化效果的影响，得出30℃最适合作为厌氧发酵温度。并且在此基础上，考察了初始pH值对剩余污泥发酵效果的影响。分析发现，混合液发酵获得最大SCOD浓度和VFA产量基本需要8d，pH=10.0时，SCOD增长率最大，VFA产量约为1718mg/L，占SCOD的32.48%，发酵效果较差。此外，向系统中添加3g/L的零价铁，分析发现在各pH条件下，当pH=10.0时，SCOD浓度最大为5160mg/L，经6天的发酵时间后VFA浓度基本趋于最大值3239mg/L。得出零价铁可以强化剩余污泥的碳源化效果，不仅提高了SCOD浓度、VFA产量，而且缩短了发酵时间。　　②将预处理后的污泥进行离心分离，将污泥离心上清液进行水解发酵实验，重点研究了pH值对VFA效果的影响。结果表明：利用污泥离心上清发酵，污泥酸化产量趋于最大浓度所需要的时间大幅缩短，平均需要3d时间，且VFA产量得到较大提高。综合考虑，得出pH=5.0作为污泥离心上清的污泥碳源化发酵条件更优，可以大幅增加VFA产量（约为2679.31mg/L），提高乙酸和丙酸等有低分子机酸的比例。　　③将预处理后的污泥静沉30min，进行沉淀分离，用倾滤的方法获取污泥静沉混合上层液，然后进行水解酸化实验。研究表明，混合上层液的VSS/SS为0.51，与原生污泥的0.34相比，增幅显著，有助于降低无机质对污泥回用过程的影响。进一步研究了pH值对厌氧发酵VFA转化效率的的影响。结果表明，当提高剩余污泥有机质比例后，能增强污泥的SCOD的释放效果，有利于剩余污泥碳源化进程。pH10.0的环境中SCOD增长率达44.39%，VFA最大浓度为3603mg/L，占SCOD的62.23%。在此试验基础上，引入零价铁强化厌氧发酵。试验表明，SCOD浓度进一步得到提高，pH10.0时SCOD最大浓度超过6300mg/L，VFA浓度达到4982mg/L且VFA/SCOD约为80%，是传统混合液碳源化的2.7倍，发酵时间得到缩短。此外，pH相同时，不同方式对C/N值、C/P值影响较小，但pH=10.0基本大于18、61，具有较好的碳源化效果。得出通过去除剩余污泥中大量无机质和添加零价铁的方式，可以强化低有机质剩余污泥厌氧发酵时VFA碳源的产量。

目录

1 绪 论

1.1 污泥微波预处理现状

1.2.1污泥水解酸化机理

1.2.2影响污泥发酵效果的主要因素

1.3 VFA高效转化技术研究现状

1.3.1 添加产甲烷菌抑制剂提高VFA积累浓度

1.3.2 提高碳氮比强化厌氧产酸

1.3.3 强化低有机质污泥厌氧消化

1.3.4 添加零价铁提高VFA产量

1.4 污泥水解酸化的应用

1.5.1 主要研究目的

1.5.2 主要研究内容

1.5.3 污泥碳源化过程

1.6 课题来源

2 实验装置与研究方法

2.1 实验污泥的来源

2.1.1剩余污泥的来源及性质

2.1.2水解酸化接种污泥

2.2.1剩余污泥微波预处理碱淘洗方法

2.2.2 水解酸化细菌的驯化与培养方法

2.2.3酸化率的表达

2.3 试验方法

2.3.1 污泥混合液的碳源化特性实验

2.3.2 污泥离心上清液的碳源化特性实验

2.3.3 污泥静沉混合上层液的碳源化特性实验

2.3.4零价铁辅助的低有机质污泥碳源化特性实验

2.4.1主要测试方法

2.4.2 主要仪器设备

3 污泥微波预处理后的不同酸化体系 VFA转化特性

3.1.1 温度对溶出基质的影响

3.1.2 pH对溶出基质的影响

3.2.1 COD溶出效果的分析

3.2.2 VFA产量的变化情况

3.2.3 溶液中N、P的变化规律

3.3.1 COD溶出效果的分析

3.3.2 VFA产量的变化情况

3.3.3 初始不同pH值对溶液中N、P浓度的影响

3.3.4 溶液中C/N、C/P的变化规律

3.4 本章小结

4 零价铁辅助的低有机质污泥碳源化性能

4.1.1 COD溶出效果的分析

4.1.2 VFA产量的变化情况

4.1.3 初始不同pH值对溶液中N、P浓度的影响

4.1.4 溶液中C/N、C/P的变化规律

4.2 低有机质剩余污泥VFA碳源高效转化技术试验效果

4.2.1 COD溶出效果的分析

4.2.2 VFA产量的变化情况

4.2.3 初始不同pH值对溶液中N、P浓度的影响

4.2.4 溶液中C/N、C/P的变化规律

4.3 本章小结

5 结论与建议

5.1 结论

5.2 建议

参考文献

附 录

A 学位论文数据集

致谢