強化污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的效能及發(fā)酵液碳源的利用研究.pdf

1、城市污水廠的剩余污泥已經(jīng)成為主要的環(huán)境污染問題之一,由于剩余污泥中蘊藏大量的有機物資源,可以進(jìn)行資源化處理,同時剩余污泥發(fā)酵產(chǎn)酸是進(jìn)行污泥資源化處理的熱點研究方向之一。產(chǎn)生的揮發(fā)酸(VFAs)因為可以作為補充碳源解決污水廠運行過程中出現(xiàn)的碳源不足問題,所以具有重要的實際應(yīng)用意義。基于此,本文在已有研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合污泥厭氧發(fā)酵理論的代謝過程及機制,比較研究了強化污泥發(fā)酵產(chǎn)酸的處理技術(shù),并對各發(fā)酵過程的動力學(xué)及機理進(jìn)行了闡述,同時以強堿性

2、處理后的發(fā)酵液為進(jìn)水進(jìn)一步實現(xiàn)了連續(xù)流工藝產(chǎn)酸,最后對發(fā)酵液碳源的應(yīng)用途徑進(jìn)行了探索研究。
　　首先以序批實驗的方式探索了強化污泥厭氧發(fā)酵的幾種技術(shù),以污水廠剩余污泥為研究對象,采用自主設(shè)計的發(fā)酵裝置比較研究了堿處理、投加β-環(huán)糊精(β-CD)、投加蒽醌-2,6-二磺酸鈉(AQDS)強化污泥發(fā)酵產(chǎn)酸的效能。結(jié)果表明,堿性條件下(pH=8.0-10.0),VFAs積累量隨著 pH的升高而增加,當(dāng)pH升高至12.0時,由于極端條件嚴(yán)重

3、抑制了微生物的代謝過程,導(dǎo)致 VFAs積累量大幅降低。投加β-CD也可以促進(jìn)污泥的厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸過程,在低投加量條件下(0.05g/gTSS和0.1g/gTSS),VFAs的增加趨勢不明顯,當(dāng)投加量高于0.15g/gTSS時,VFAs的積累量開始明顯增加。其中,β-CD投加量(x)與 VFAs積累量(y)之間呈較好的正相關(guān)性,擬合方程為y=2319.43x+134.74, R2=0.981。投加AQDS后的產(chǎn)酸過程與投加β-CD實驗組類似

4、,在AQDS投加量較低時促進(jìn)效果不明顯,而當(dāng)投加量增加到3mM和5mM時,VFAs積累量可以達(dá)到511.6mg/L和562.8mg/L,是同期空白對照組的2.5倍和2.7倍左右。
　　進(jìn)一步的機理分析結(jié)果表明,三種強化發(fā)酵產(chǎn)酸方式下的 VFAs組分均是以乙酸和丙酸為主,二者之和占總 VFAs的比例最大可以分別達(dá)到76.2％(pH=10.0)、88.2%(β-CD)、100%(AQDS),表現(xiàn)為乙酸-丙酸的發(fā)酵特征。大分子有機底物(

5、蛋白質(zhì)和總糖)的水解過程符合一級動力學(xué)模型,堿性條件下的水解速率高于其他條件,而β-CD和AQDS在促進(jìn)水解過程時均存在一個投加閾值,即二者在低投加量條件下對水解速率的影響較小,但在高投加量時水解速率常數(shù)則顯著提高,投加量的閾值分別為0.15g/gTSS和3mM。對產(chǎn)酸過程的微生物種群組成及動態(tài)變化過程通過聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)技術(shù)及變性梯度凝膠電泳技術(shù)(PCR-DGGE)進(jìn)行分析,結(jié)果顯示不同強化技術(shù)對種群組成具有明顯的選擇性,在最佳的產(chǎn)酸條

6、件下的微生物種群表現(xiàn)為:pH=10.0時, Acinetobacter sp.和Acidovorax sp.是發(fā)酵體系中的產(chǎn)酸優(yōu)勢種群;β-CD投加量為0.2g/gTSS時, Dethiosulfatibacter aminovorans strain、Clostridiaceae bacterium、Enterobacter sp.和 Parabacteroides sp.為產(chǎn)酸優(yōu)勢種群;AQDS投加量為3mM時, Clostridi

7、aceae bacterium、Clostridium symbiosum strain、Acidovorax sp.為產(chǎn)酸優(yōu)勢種群。
　　鑒于強堿性(pH=12.0)處理技術(shù)在促進(jìn)大分子有機物溶解方面的獨特優(yōu)勢,試驗中以強堿性處理后的發(fā)酵液為進(jìn)水,采用連續(xù)攪拌反應(yīng)器(CSTR)為發(fā)酵產(chǎn)酸的主體裝置,考察了連續(xù)流產(chǎn)酸效果及工藝過程的微生物學(xué)機理。結(jié)果表明,高負(fù)荷(蛋白質(zhì)濃度為2000mg/L)條件下,工藝在6.5d時即可進(jìn)入產(chǎn)酸穩(wěn)

8、定期,平均的產(chǎn)酸效率為210.6mg VFAs/g VSS,蛋白質(zhì)的平均去除率為62.5%。低負(fù)荷運行的結(jié)果表明,低負(fù)荷啟動時的適應(yīng)期明顯增長,需要15d才能達(dá)到穩(wěn)定,平均產(chǎn)酸效率為84.7mgVFAs/gVSS,蛋白質(zhì)的平均去除率約為64.6%。進(jìn)水負(fù)荷對于工藝中的微生物功能菌群具有一定選擇性,但是Bacteroides sp.是穩(wěn)定存在于兩種進(jìn)水工藝中的優(yōu)勢產(chǎn)酸種群,為今后產(chǎn)酸菌的篩選提供了非常有利的信息。
　　最后探索研究了

9、厭氧產(chǎn)酸發(fā)酵液碳源的應(yīng)用,結(jié)果表明:(1)堿處理發(fā)酵液可以成功用來進(jìn)行聚羥基脂肪酸酯(polyhydroxyalkanoates,PHA)合成,試驗中采用 SBR反應(yīng)器,工藝運行了50d,最高的 PHA合成量為420.5mg/gMLSS,高于同期對照試驗以乙酸鈉為單一碳源時的最大 PHA合成量,但是由于底物成分的復(fù)雜性,PHA的產(chǎn)生和有機質(zhì)的降解較對照試驗均有所滯后。PHA的主要組分是聚-β-羥丁酸(poly-β-hydroxybuty