預(yù)處理促進(jìn)剩余污泥發(fā)酵制取短鏈脂肪酸的效能及機(jī)制研究.pdf

1、污水處理過程中伴生大量的剩余污泥（WAS），2008年全國剩余污泥產(chǎn)生量高達(dá)1800萬噸/年（80％含水率），并以每年10%的速度快速增長，其處理處置費(fèi)用通常占到污水處理總操作成本的20～50%。因此，合理處理處置廢水生物處理過程中產(chǎn)生的剩余污泥是急待解決的問題。WAS中蘊(yùn)含大量有機(jī)質(zhì)，相比較作為廢棄物丟棄，完全有潛力成為一種有價(jià)值但是低廉的資源利用。如何結(jié)合社會效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益最大化地利用污泥中的有機(jī)質(zhì)是今后污泥處理處置技術(shù)發(fā)

2、展所需考慮的新方向。本研究提出了利用產(chǎn)酸發(fā)酵過程將剩余污泥中可利用碳源轉(zhuǎn)化為短鏈揮發(fā)酸的方法，建立了預(yù)處理和外碳源調(diào)質(zhì)促進(jìn)短鏈揮發(fā)酸（SCFAs）轉(zhuǎn)化和蛋白質(zhì)降解的策略，為剩余污泥資源化利用提供了一條新途徑。
　　為了提高WAS中微生物細(xì)胞的溶胞率，進(jìn)一步促進(jìn)后續(xù)的厭氧消化性能，深入探討了雙頻率超聲、鼠李糖脂和皂苷三種預(yù)處理技術(shù)方法對污泥中顆粒有機(jī)物水解及產(chǎn)酸發(fā)酵的促進(jìn)作用，揭示了各預(yù)處理方法對WAS的溶胞機(jī)制。研究結(jié)果表明，雙頻

3、超聲（28+40 kHz）預(yù)處理，SCOD濃度達(dá)到10810 mgCOD/L，是單頻超聲預(yù)處理（28kHz和40 kHz）的1.53和1.44倍。采用微生物衍生型表面活性劑（鼠李糖脂，RL）預(yù)處理發(fā)現(xiàn)，RL能夠明顯促進(jìn)污泥的水解和發(fā)酵效率，產(chǎn)生的SCFAs濃度達(dá)到3840 mgCOD/L，是未經(jīng)預(yù)處理產(chǎn)酸量的4.24倍（投加量為0.04 g RL/g WAS(TSS)）。微生物群落分析顯示，化學(xué)和生物表面活性劑預(yù)處理的污泥群落結(jié)構(gòu)有較大

4、差異，僅存在于RL樣品中的Megasphaera菌與碳水化合物和乳酸發(fā)酵產(chǎn)酸相關(guān)；Oscillibacter菌與D-葡萄糖和少量戊糖新陳代謝產(chǎn)酸有直接關(guān)系。同時(shí)，發(fā)現(xiàn) RL在污泥發(fā)酵系統(tǒng)中原位合成的途徑（96h，濃度自初始的880±92增加到1312±7 m/L），能夠合成RL的Pseudomonas菌在其中分布亦比化學(xué)表面活性劑實(shí)驗(yàn)組高~1%。采用植物衍生型表面活性劑（皂苷）預(yù)處理發(fā)現(xiàn)，皂苷能夠有效剝離污泥絮體的松散附著型胞外聚合物（

5、LB-EPS）層，進(jìn)而破碎位于絮體內(nèi)部的緊密附著層胞外聚合物（TB-EPS）層。在皂苷投加量0.05 g/g TSS處理下，SCFAs產(chǎn)量較未經(jīng)預(yù)處理提升了1.56倍。
　　針對WAS發(fā)酵過程中碳氮失衡及蛋白質(zhì)降解率低下的問題，重點(diǎn)研究了秸稈類（玉米和水稻）和箘糠類（雙孢菇和香菇）廢棄物作為外加碳源，對剩余污泥的調(diào)質(zhì)作用，考察了外碳源添加對污泥發(fā)酵產(chǎn)酸的提升作用，尤其是蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化的促進(jìn)作用。發(fā)現(xiàn)了外碳源投加對顆粒性有機(jī)物的水解和溶

6、出有明顯的促進(jìn)作用。玉米和水稻秸稈、香菇和雙孢菇菌糠實(shí)驗(yàn)組平均SCOD濃度較單獨(dú)污泥發(fā)酵實(shí)驗(yàn)組分別提高了3.6、3.8、2.6和2.7倍（SRT10d），發(fā)酵體系中可溶性有機(jī)物濃度的提高為后續(xù)產(chǎn)酸發(fā)酵提供更多底物，這也是碳源轉(zhuǎn)化效率較高的原因之一。同時(shí)，外碳源添加可以促進(jìn)污泥中蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)化，蛋白質(zhì)的降解底物 NH4+-N濃度相對于單獨(dú)污泥發(fā)酵組有明顯的增加，秸稈和箘糠類共發(fā)酵組的NH4+-N濃度分別增加了~3.7和~1.8倍（SRT8d

7、）。通過紅外光譜分析，代表氨基化合物的功能基團(tuán)峰均有明顯的提升（分別在1720、1658、1550和1230 cm-1），這也可以從側(cè)面證實(shí)污泥中蛋白質(zhì)的降解。進(jìn)而發(fā)現(xiàn)，外碳源添加對污泥減量（TSS和VSS的降解）程度有明顯提升，且秸稈類外碳源組的降解率明顯高于箘糠類。
　　利用微生物電解產(chǎn)氫（MEC）體系，考察WAS發(fā)酵回收SCFAs的生物可利用性。首先考察了SCFAs濃度對MEC利用雙頻率超聲預(yù)處理污泥發(fā)酵液（SFL）產(chǎn)氫的影

8、響，發(fā)現(xiàn)經(jīng)磷酸鹽緩沖液（PBS）稀釋1倍的實(shí)驗(yàn)組獲得最高的氫氣產(chǎn)率（1.2 mL H2/mg COD），從WAS中的整體氫氣回收率達(dá)到了10 mmol H2/mg VSS。同時(shí)，考察了不同生物表面活性劑存在下，其對MEC利用發(fā)酵液中有機(jī)物產(chǎn)氫的影響。雖然從部分底物（C4以上揮發(fā)酸及蛋白質(zhì)）利用的情況來看，SDS化學(xué)表面活性劑的降解率較高，但是RL生物表面活性劑對C3以下小分子酸及碳水化合物的利用較好。再進(jìn)一步對氫氣產(chǎn)率及能量效率的結(jié)果進(jìn)