嗜热酶水解(s-TE)法预处理污泥产氢研究
城市污水处理过程中产生的剩余污泥数量非常巨大，若未经妥善处理会带来严重的环境问题。剩余污泥主要成分是细菌等微生物，含有大量糖、蛋白质和脂肪等有机质，是一种可利用的资源。氢气是一种高热值、无污染的理想燃料，同时具有来源广泛的优点，可通过经济而环境友好的生物法制取。目前已有许多研究采用各种有机废水和废弃物进行厌氧发酵产氢，在降解有机物污染的同时获取能源。氢气是厌氧发酵过程中的一种重要中间产物，通常在产生后很快便被产甲烷菌等消耗。污泥中多数有机物都存在于微生物细胞中，微生物的细胞壁限制了污泥有机物的溢出，使有机物不能被产氢菌利用。因此发酵产氢中的接种污泥需要经过一定的预处理，以杀死消耗氢气的产甲烷菌并破解细胞壁、释放出更多的有机物质，从而获得更好的产氢效果。基于微生物隐性生长的生物嗜热酶水解(Solubilization by Thermophilic Enzyme，S-TE)技术，相对传统的物理、化学预处理方法更经济高效、安全，而且能耗低、易于运行控制，结合后续工艺不仅可以实现污泥的“零排放”，还可同时增加生物气产量，应用前景良好。本论文在国内外污泥发酵产氢最新研究成果基础上，对S-TE预处理进行了较为系统的研究。
以海水养殖场有机废弃物为底物，比较了经过嗜热酶(S-TE)、酸、碱、灭菌、微波不同预处理的污泥厌氧发酵产氢能力的不同。结果显示，灭菌预处理污泥产氢效果最好，产氢率为22.0 mL/g VSS，酸处理的效果最差，产氢率为7.6 mL/gVSS。对发酵过程底物的变化(SCOD、可溶性蛋白质、可溶性糖、pH、挥发性脂肪酸(VFAs)和乙醇)进行分析，得出以下结论：可溶性糖为发酵产氢主要的营养来源，在其大量消耗之后，氢气不再产生。发酵过程中产生的VFAs主要成分是乙酸，在发酵后期出现乙醇，表示发酵出现溶剂化现象。接种S-TE预处理污泥的底物能更多地释放营养物质，并在整个发酵过程中保持较稳定的pH值。
研究了不同S-TE预处理条件对污泥发酵产氢的影响。结果表明，污泥经65℃处理8 h热处理产氢效果最好，产氢率达到了30.8 mL/g VSS，延长处理时间会使污泥的氢产率在一定程度上降低。当S-TE处理污泥的起始pH值为6.0时，污泥的产氢率为33.8 mL/g VSS，升高或降低污泥的起始pH值，都会使污泥的产氢率降低。当污泥VSS浓度为11.23 g/L时，单位体积污泥产氢量最大，达到50.8 mL/L。
为更好地发挥S-TE预处理污泥发酵产氢优势，以S-TE预处理污泥为发酵底物，针对pH、C/N、C/P、Fe2+进行4因素9水平均匀设计实验，得出发酵条件与S-TE预处理污泥产氢率之间的回归方程，方程的因变量与全体自变量之间的回归效果显著，可用作对试验分析及预测。研究结果说明初始pH、C/N、C/P、Fe2+浓度这4种因素对于产氢结果存在交互影响，而非各自独立地作用于产氢过程。根据回归方程计算可知，pH取6.4，C/N取38，C/P取265，Fe2+取85 mg/L时，产氢率值最大，产氢效果最好，达到68.4 mL/g VSS。初始pH值对于发酵产氢过程中的可溶性糖和蛋白质代谢有较显著的影响。建议S-TE预处理污泥发酵产氢前将pH值调节到中性附近。丙酸对S-TE预处理发酵产氢率存在明显的负相关关系。
污泥处理;嗜热酶水解法;胞外酶;生物产氢
中国海洋大学
硕士
环境工程
郭亮
2012
中文
X703.1
79
2012-12-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）