剩余污泥碱性发酵产生的短链脂肪酸作为生物脱氮除磷碳源的研究

【摘要】： 课题组以前的研究结果表明,剩余污泥在碱性条件下发酵,产生的发酵液中含有大量的短链脂肪酸(SCFA)、蛋白质、碳水化合物等有机物、以及氨氮和溶解性正磷(SOP)。本论文主要研究了从剩余污泥碱性发酵液回收氮和磷,回收氮和磷后的发酵液作为增强生物除磷、既脱氮又除磷微生物碳源时的处理效果,及SCFA、氮、磷、糖原和PHA等指标在处理过程中的变化特征,并将其与以乙酸碳源的处理系统进行比较。 首先,本文研究了从剩余污泥碱性发酵液中回收NH_4-N和磷的影响因素与最佳工艺条件。 通过投加Mg盐以形成鸟粪石的形式进行回收磷时,搅拌时间对回收效果无明显影响。单独回收发酵液中的磷时,在pH 8.5～10.0、Mg/P摩尔比1.2～1.8范围内,磷的去除率随pH和Mg/P的增加而增长,但pH和Mg/P继续增长时,磷的去除率无明显变化。在最佳条件下即pH 10.0和Mg/P 1.8,搅拌2min时,磷的去除率可达到92.8%。 以形成鸟粪石形式同时回收发酵液中氮和磷时,由于发酵液中氨氮摩尔数总是比正磷多,需要补充磷。在pH 9.5～10.5、Mg/N摩尔比1.0～1.8、P/N摩尔比0.8～1.2范围内,NH_4-N去除率随着Mg/N、pH和P/N的增加而增长,其中Mg/Y和P/N是显著影响因素;SOP去除率则随Mg/N和pH值的增加显著增长,但随P/N的增加而降低。通过响应面分析,得出最佳的氮磷回收工艺条件为Mg/N=1.8,pH=10,P/N=1.13,此时NH_4-N和SOP去除率分别为73.6%和82.2%。 其次,在对发酵液的氮和磷进行回收后,本文考察了发酵液与乙酸分别作为微生物碳源时的除磷与脱氮除磷效果,并对氮、磷、SCFA、糖原及PHA的变化特征进行探讨。 发酵液及乙酸分别作为厌氧/好氧增强生物除磷SBR工艺的碳源时,发酵液碳源SBR的PHA合成量为2.11mmol-C/gVSS,乙酸碳源则为3.65mmol-C/gVSS。发酵液碳源SBR分解1mmol-C的PHA所合成的糖原为0.57 mmol-C,吸磷15.19mg,乙酸碳源SBR则分别13.67mmol-C和8.45mg,可见,前者分解PHA产生的能量主要用于吸磷而不是合成糖原,因此得到了更好的除磷效果(除磷率分别为98.7%和71.1%)。 发酵液与乙酸分别作为多级(厌氧/好氧/缺氧/好氧/缺氧/好氧)的脱氮除磷SBR微生物碳源时,在第一、第二两个缺氧阶段,发酵液碳源的反硝化速率分别为1.97和1.41mgNO_x-N/gVSS·h,大于乙酸碳源的反硝化速率(分别为1.84和1.11 mgNO_x-N/gVSS·h)。在内源反硝化研究中发现,前者分解单位PHA去除的NO_x-N比后者多。与单独除磷工艺相似,发酵液碳源分解单位PHA产生的能量主要用于吸磷而不是合成糖原。虽然发酵液碳源SBR内合成的PHA比乙酸碳源SBR少(1.84mmol-C/gVSS对比3.31mmol-C/gVSS),但前者PHA的利用率较高,因此取得更好的脱氮除磷效果:发酵液碳源SBR的SOP和TN的去除率分别为95.3%和81.5%,乙酸碳源SBR为87.2%和73.9%。 研究中发现,发酵液碳源和乙酸碳源SBR内的吸磷过程符合一级动力学,前者吸磷速率大于后者。在生物脱氮除磷工艺中,乙酸与丙酸的降解过程也符合一级动力学,发酵液碳源SBR内丙酸降解速率大于乙酸降解速率,其乙酸降解速率又大于乙酸碳源SBR的乙酸降解速率。 此外,本文还考察了发酵液作为微生物碳源时对污泥活性的影响,研究中发现污泥的SOUR和脱氢酶活性均未受到任何影响,发酵液对污泥活性没有抑制作用。发酵液中含少量重金属离子,但发酵液碳源SBR出水无重金属离子。 最后,对城市污水碳源与补充发酵液后城市污水碳源的处理效果做了对比研究。在单独生物除磷工艺中,SOP去除率分别为60.3%和94.9%;在既脱氮又除磷工艺中,SOP去除率分别为43.9%和97.2%,NH_4-N去除率为99.1%和98.4%,TN的去除率为63.5%和80.9%,可见,向低碳源城市污水中补充发酵液可以显著提高脱氮除磷效果。