剩余污泥預(yù)處理對(duì)微生物電解污泥發(fā)酵液產(chǎn)氫影響研究.pdf

1、微生物電解池（MECs）由微生物燃料電池發(fā)展而來(lái)，具備能量輸入低（與電解水產(chǎn)氫相比）、氫氣產(chǎn)率高的特點(diǎn)。MECs主要利用乙酸鹽產(chǎn)氫，但如何利用MECs處理實(shí)際廢物且同步獲得氫氣成為目前研究的熱點(diǎn)。剩余污泥的處理與處置是污水處理廠處理污水的同時(shí)急待解決的難題，傳統(tǒng)厭氧處理污泥存在的問(wèn)題是周期長(zhǎng)、碳源轉(zhuǎn)化速率慢、能源（甲烷）回收率低等。針對(duì)上述問(wèn)題，提出了有效的污泥預(yù)處理方法-強(qiáng)化發(fā)酵產(chǎn)酸-微生物電解回收氫能的處置思路，將分別提升剩余污泥中

2、的有機(jī)質(zhì)水解酸化效率、強(qiáng)化揮發(fā)酸最適底物產(chǎn)量、提高氫氣轉(zhuǎn)化回收效率，從而實(shí)現(xiàn)剩余污泥梯級(jí)利用的高效碳源轉(zhuǎn)化產(chǎn)氫新方法探索。
　　本研究針對(duì)不同常用預(yù)處理方法制備污泥發(fā)酵液性質(zhì)分析，主要針對(duì)發(fā)酵液有機(jī)物成分優(yōu)化并確定在MECs反應(yīng)器產(chǎn)氫工藝中不同有機(jī)質(zhì)組分轉(zhuǎn)化效能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，MECs反應(yīng)器利用蛋白類物質(zhì)產(chǎn)氫，在外加電壓0.8Ⅴ條件下，蛋白質(zhì)初始濃度800mgCOD/L時(shí)產(chǎn)氫率最高（0.3±0.015ml/mg COD）；發(fā)酵液中

3、不同揮發(fā)酸組分對(duì)MECs產(chǎn)氫影響密切，丙酸積累不利于MECs反應(yīng)器產(chǎn)氫，而丁酸積累則相對(duì)有利于MECs氫氣產(chǎn)量提升。MECs處理污泥發(fā)酵液在初始pH值6.5、外加電壓0.8Ⅴ以及電導(dǎo)率為8時(shí)，MECs產(chǎn)氫率最高。對(duì)于發(fā)酵液的離子含量決定的緩沖能力和電導(dǎo)率進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，堿預(yù)處理后產(chǎn)生的發(fā)酵液電導(dǎo)率能夠提高從而有利于MECs產(chǎn)氫效率提升；適當(dāng)磷酸鹽（PBS）調(diào)節(jié)可有效的提高M(jìn)ECs反應(yīng)器的運(yùn)行效能。對(duì)于發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)酸帶來(lái)的酸化影響，通過(guò)酸性p

4、H值沖擊實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，pH＜5的酸性沖擊會(huì)導(dǎo)致MECs產(chǎn)氫效率降低，產(chǎn)甲烷率增加。待pH恢復(fù)到中性后，MECs反應(yīng)器中的微生物在反應(yīng)器受到酸性沖擊后多樣性增加，而對(duì)于陽(yáng)極菌群中胞外電子傳遞菌為優(yōu)勢(shì)菌的高效產(chǎn)氫反應(yīng)器，在去除短暫酸性沖擊后細(xì)胞色素C基因相關(guān)菌群能夠較快恢復(fù)為優(yōu)勢(shì)菌，而與碳利用相關(guān)的功能基因中降解簡(jiǎn)單碳源功能基因變化最為顯著。
　　通過(guò)比較熱預(yù)處理、堿預(yù)處理和熱堿聯(lián)合預(yù)處理污泥發(fā)酵液接種MECs反應(yīng)器運(yùn)行效能和產(chǎn)氫效率，發(fā)

5、現(xiàn)熱堿聯(lián)合預(yù)處理污泥發(fā)酵液各種VFAs釋放更充分，發(fā)酵液在MECs中乙酸利用率最高；污泥發(fā)酵液氫氣回收效率分析表明熱堿聯(lián)合預(yù)處理污泥發(fā)酵液聯(lián)合MECs產(chǎn)氫過(guò)程獲得氫氣回收效率最高，單位污泥氫氣產(chǎn)量34.4±4.1mLH2/gVSS，每日氫氣產(chǎn)量為19.3±2.3mLH2/d。按照不同預(yù)處理發(fā)酵液的MECs產(chǎn)氫效率的大小比較：熱堿聯(lián)合預(yù)處理＞熱預(yù)處理＞堿預(yù)處理＞未預(yù)處理污泥。
　　針對(duì)MECs處理污泥發(fā)酵液產(chǎn)甲烷對(duì)MECs氫氣回收率

6、損耗影響，提出了通過(guò)污泥預(yù)處理過(guò)程增加適量微氧曝氣形成對(duì)MECs中產(chǎn)甲烷菌有效抑制的方法，結(jié)果證明了短期曝氣有效提高M(jìn)ECs處理污泥發(fā)酵液回收氫氣。一方面，通過(guò)污泥預(yù)處理過(guò)程中適當(dāng)微氧曝氣預(yù)處理可以提升剩余污泥水解過(guò)程的有機(jī)物釋放，結(jié)果證明了堿處理?xiàng)l件增加適量微氧預(yù)處理更有利于污泥發(fā)酵液中總揮發(fā)性脂肪酸（TVFAs）的積累。另一方面，MECs利用污泥發(fā)酵液產(chǎn)氫運(yùn)行階段，在序批式運(yùn)行過(guò)程直接采用對(duì)MECs生物膜短期（10min）空氣暴露方

7、式可有效抑制甲烷的產(chǎn)生，產(chǎn)氫回收率提高60％，氫氣產(chǎn)率達(dá)到1.3mL H2/mL反應(yīng)器/d。通過(guò)高通量測(cè)序發(fā)現(xiàn)，通過(guò)微氧-熱堿聯(lián)合預(yù)處理制備剩余污泥發(fā)酵液聯(lián)合單室MECs反應(yīng)器產(chǎn)氫過(guò)程的微生物群落結(jié)構(gòu)變化以厭氧發(fā)酵菌群最為顯著，結(jié)果表明β-Proteobacteria、Legionella和Clostridium為MECs反應(yīng)器運(yùn)行過(guò)程中主要的微生物菌群，其中Clostridium從啟動(dòng)時(shí)的4.1%增加到產(chǎn)氫階段的19.3%，Solob