高铁酸钾促进剩余污泥厌氧发酵产酸的调控策略及机制

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剩余污泥(WAS)作为污水处理厂的主要副产物,其产量逐年增加。考虑到污泥的主要成分是有机物,故其处置不当会造成严重的环境污染;另一方面,污泥是可利用资源的承载体,污泥处理的同时可以进行资源回收。厌氧发酵能够以甲烷(CH4)、氢气(H2)、短链脂肪酸(SCFAs)的形式回收污泥中的资源。然而,污泥厌氧发酵过程存在有机物产率低的问题,严重阻碍了厌氧发酵技术的推广和应用。本课题基于以上背景,以促进WAS产酸为对象,针对破解是污泥厌氧发酵产酸的关键限制步骤,考察了基于高铁酸钾(K2Fe O4,PF)的调控策略对促进剩余污泥破解、提高厌氧发酵产酸的作用效果,同时对反应机制进行了解析,以建立高效生产SCFAs的技术,为污泥高效资源化提供理论和技术基础。首先,以降低PF使用量、就地利用市政污水热能为出发点,提出了PF与低温热处理相结合的处理策略。结果表明:先进行PF处理再进行热处理(PF-热处理)的方式能够有效促进污泥发酵产酸。低浓度PF-热处理对应的SCFAs累积量较好,为230 mg COD/g VSS,是单独PF组的1.36倍;溶解性多糖和蛋白质分别为单独PF处理组的1.93和1.31倍;PF处理能够促进污泥细胞中有机物释放,热处理有利于释放胞外聚合物(EPSs)中的有机物,而PF与热处理的联合处理则同时促进了胞内和EPSs中有机物的释放;相比于单独PF处理,低浓度PF-热处理使污泥水解性能提高了69.7%;通过测定CH4产量发现该策略能够抑制产甲烷。综合考虑,以产酸量评估,低浓度PF与热处理联合是强化污泥厌氧产酸效能的较优调控手段。其次,评估了不同浓度的PF与氨吹脱联合对污泥厌氧发酵产酸效能的影响,揭示了PF联合氨吹脱对发酵产酸效能的影响机制。结果表明:低浓度PF联合直接氨吹脱对SCFAs累积表现出促进作用,SCFAs的最大累积量增长率为9.40%,累积量最高时的乙酸和丙酸总产量提高了6.63%;产甲烷抑制率从50.9%提高至75.6%;机制分析表明,低浓度PF联合直接氨吹脱有利于细胞破解促进了污泥增溶;相较于PF单独处理,水解过程的副产物游离氨浓度增加;通过测定产甲烷结果发现,联合吹脱策略影响了产甲烷菌的活性,能够进一步抑制产甲烷。高浓度PF与氨吹脱联合处理有利于氮源回收,PF-吹脱工艺可回收氮源约49 mg/L(以NH4+-N计)。最后,考虑到碱性条件下污泥破解效果好且更多的氨氮以游离氨形态存在,考察了PF联合碱调控下吹脱(PF-p H-吹脱)的处理技术对污泥厌氧发酵产酸的作用效能。结果表明:低浓度PF-p H-吹脱能够进一步促进SCFAs累积,累积量最高时的乙酸产量提高了8.69%;与PF-p H组相比,氨氮浓度降低了28.0%,游离氨浓度降低了31.1%,不但缓解了强碱性环境对厌氧产酸菌的不利影响还实现了氨氮回收。高浓度PF-p H-吹脱处理后,氮回收潜力进一步提高,为116 mg/L(以NH4+-N计)。总而言之,低浓度PF-p H-吹脱为吹脱实验组提高SCFAs产量较为理想的调控手段,而高浓度条件可以明显提高氮的回收潜能。以上结果表明,本论文提出的基于PF的预处理技术可以同步实现碳源和氮源回收,为污泥中资源的高效回收提供了理论基础和技术支持。
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