基于三维荧光光谱技术的剩余污泥厌氧发酵产氢研究
城市污水处理过程中产生大量剩余污泥,主要由有碳水化合物和蛋白质等有机物组成,若不经过有效的处理对环境和人体会造成严重的危害,并且对水体、大气和土地造成二次污染。剩余污泥处理费用的提高增加了污泥合理处置的难度,剩余污泥处理已成为一项重要的环保任务和国内外研究的重点。有效的利用剩余污泥开发可再生的环保能源是一项经济环保的研究。氢气作为洁净燃料、能源密度高和可再生的能源,在所有的可替代能源中是理想的燃料替代能源。所有制氢方法中,生物厌氧发酵制氢是一种经济、环保和可持续发展的制氢技术。但目前污泥厌氧发酵制氢还存在产氢率低,处理设备单一等问题,如何提高污泥的利用率和发酵过程中的产氢率有待进一步的研究。 本论文主要是引用了一种新型的复合酶用于污泥的水解预处理,并确定了该复合酶的最佳水解条件和讨论该复合酶的水解和减量效果。当复合酶的投加量为1.5 mL/100 mL污泥,在30℃环境条件下,水解5 h时,溶解性蛋白质、SCOD(溶解性化学需氧量)、溶解性糖达到最大值,分别增加了4-5倍、2-3倍和4-5倍,污泥中复杂有机物降解为小分子物质,同时溶胞率达到了24.81％,此时VSS(挥发性悬浮物质)的溶解度由3.26%提高到27.62%,表现了很好的污泥絮体的破解,以及微生物的溶胞效果,促进了污泥的减量效果。 研究了复合酶和嗜热菌对剩余污泥的水解效果,检测污泥中EPS(胞外聚合物)和DOM(溶解性有机物)的三维荧光光谱以及底物浓度的变化。经水解后污泥中EPS的三维荧光光谱发生变化,酶对污泥絮体的裂解作用,细胞壁破裂,小分子物质溶解到溶液中有利于微生物的利用。污泥EPS中糖、蛋白质、SCOD等物质浓度有明显的减少。同时由污泥中DOM发生变化污泥溶液中蛋白类物质比例有所增加,糖、蛋白质、SCOD各物质浓度有很大程度的增加。污泥中DOM经嗜热菌作用,DOM中的酪氨酸区域全部分解为无荧光性质的小分子,嗜热菌较复合酶的水解效果好。 由于剩余污泥中絮体作用,微生物很难直接利用污泥作为底物发酵产氢,本文以微波处理、热处理、复合酶和嗜热菌处理四种不同的方式预处理污泥之后进行厌氧发酵产氢,污泥在经过水解后,絮体裂解,细胞壁破裂,大分子物质溶出并降解,提高微生物对底物的利用率。结果表明,发酵产氢阶段,不同的预处理方法对微生物的选择不同,影响产氢菌对营养物质的利用,同时由于污泥物质的转化、微生物代谢底物、以及细胞溶胞等共同作用的影响,污泥EPS和DOM中糖、蛋白质和SCOD等浓度的变化不尽相同。经热处理后EPS中糖、蛋白质、SCOD浓度在产氢最大时,底物浓度最小,产氢率最大。复合酶预处理后发酵后期,底物浓度变化不明显,产氢效果最差,经嗜热菌处理的污泥,DOM中蛋白质类物质减少,微生物代谢产物增加,产氢率较微波和热处理稍低。经热处理的污泥产氢率最大,为15.25 H2mL/gVSS。其余产氢率从高到底依次为微波、嗜热菌、复合酶处理进行的污泥发酵。 不同的预处理方式对微生物选择性不同,梭状芽胞杆菌在热处理和微波处理的产氢阶段一直处于优势,微波处理中产氢菌优势不及热处理中,并且产氢效果不及热处理污泥产氢效果。而在嗜热菌处理过程中多出了两个嗜热菌种群嗜热溶胞土芽孢杆菌和嗜热产氢菌在产氢前期表现较好的优势,在后期梭状芽胞杆菌优势明显,其产氢效果不及微波和热处理的产氢效果。经复合酶处理后各种菌群的优势都较弱,产氢率最小。
剩余污泥;厌氧发酵;产氢率;三维荧光光谱
中国海洋大学
硕士
环境工程
郭亮
2014
中文
X799.3;X703
91
2015-04-01（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）