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剩余污泥碱性发酵影响因素和过程强化研究

李晓玲  
【摘要】:污泥资源化利用是目前污泥处理处置研究的热点。污泥碱性厌氧发酵是一种将碱性处理和污泥厌氧消化相结合的污泥资源化方式,能将污泥中的细胞有机体转化为可供微生物利用的小分子有机酸类物质,可以作为碳源缺乏的污水处理厂经济廉价的补充碳源,但发酵液中同时含有大量的氨磷副产物,如何去除氨磷的影响并有效提取污泥中的内碳源,在实际生产应用中具有重要意义。 本研究采用了半连续流和静态两种运行模式相结合的方式,对影响剩余活性污泥碱性厌氧发酵的因素进行了详细探究,优化了污泥碱性发酵产酸工艺的运行条件,并从污泥形态和微生物种群结构等微观角度揭示了发酵产酸的过程,为工艺优化提供了详实的理论依据。基于对发酵过程的研究,提出了三种强化污泥发酵产酸的方法,氨吹脱,发酵种泥投加及发酵底物投加法进行发酵产酸的强化试验。此外还采用混凝沉淀法和氨磷回收法,促进了发酵液中碳源的分离,改善了发酵后污泥的脱水性能。 通过研究温度(15℃-55℃)对污泥碱性发酵产酸的影响发现:温度越高污泥水解的程度越高,55℃时发酵液中SCOD的含量最大,而此时VFAs的含量却低于25℃和35℃。通过对细胞内有机物在发酵过程中转移路径的研究发现:细胞中的有机物先从内球层转移到粘液层,然后被水解酸化转化为VFAs,55℃时粘液层中的有机物酸化受到了抑制,所以VFAs产量较低。从微生物的角度而言,25℃和35℃条件下微生物种群的数量及多样性的丰富度要高于15℃和55℃系统,也进一步说明25℃-35℃是污泥发酵产酸的较优温度条件,而且发酵后污泥的脱水性能较好。此外在温度发酵系统中Clodtridium和Bacillus菌是碱性厌氧污泥发酵系统中主要的产酸菌。 通过水力停留时间和碱种类对污泥碱性发酵产酸影响的研究发现:NaOH对于水解酸化的作用力度要强于Ca(OH)2,释放得到较高的有机物,包含蛋白质和碳水化合物,同时氨磷副产物的量也较大。但从投碱成本及VFAs产值计算,Ca(OH)2体系的经济价值要高于相同HRT条件下的NaOH碱性污泥发酵产酸系统,尤其是在HRT较长的条件下,因此Ca(OH)2是更好的碱调节试剂。在Ca(OH)2系统中,经Ca2+含量,污泥官能团变化,溶液Zeta电位,以及污泥沉降性能等的分析得到,发酵液中大量的蛋白质和PO43-与Ca2+发生了沉淀作用,这是导致Ca(OH)2作用力度弱于NaOH体系和Ca(OH)2体系发酵污泥的脱水性能较好的主要原因。在VFAs的组成中,两种碱试剂调节下,乙酸和丙酸均占VFAs产量的较大比例,可以作为脱氮除磷系统较优的补充碳源。利用微生物种群分析得到在两种碱发酵系统中Firmicutes, Proteobacteria和Actinobacteria均是优势菌属,并且在NaOH体系所占的含量较高,所以NaOH体系中的产酸效能高于Ca(OH)2体系。 通过采用氨吹脱作用,投加发酵种泥和增加发酵底物三方面来强化污泥发酵产酸的试验,得到NaOH和氨吹脱的组合条件污泥水解酸化程度最好。氨的吹脱能显著降低溶液中NH4+含量,进而解除对产酸菌的抑制,使得溶出的碳水化合物被产酸菌大量利用,提高了VFAs的产量。但氨吹脱作用对溶解性蛋白质水解酸化的影响不大。投加灭菌发酵污泥的系统和投加未灭菌发酵污泥的体系都能加强污泥水解酸化的程度,对水解的强化作用尤为显著。中温条件下投加灭菌处理后发酵污泥既能快速将污泥水解酸化又能使VFAs稳定的积累,与投加未灭菌发酵污泥方法相比,能更好的促进污泥碱性发酵产酸。 污泥发酵混合液中投加金属盐类混凝剂和CPAM的混凝沉淀改善脱水性能的研究表明:从成本和效果上而言,Ca(OH)2体系中混凝试剂的较优方案为CPAM投量为0.6g:100gTS,有机物回收率高于90%,污泥CST小于50s,SV小于60%;NaOH体系中的较优方案为FeCl3投量25g:100gTS组合CPAM投量0.9g:100gTS,有机物回收率75%,CST为58.9s和SV为56%,但两种碱试剂体系调节发酵液中均含有较高浓度的氨氮,需要进一步吹脱去除。鉴于NaOH体系发酵污泥混凝前就同时含有较高浓度的氨磷,因此可以先采用鸟粪石沉淀的方法进行氨磷的回收然后再进行混凝污泥脱水性能的改善。响应曲面法试验分析得出,最佳的n(N):n(P):n(Mg)为1:1.49:2.14,pH值条件为10.5,氨的回收率达到84%,磷的回收率达到96%,此时污泥的CST为211s,继续投加0.6g:100gTS的CPAM混凝,污泥脱水性能得到明显改善。


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