游离氨预处理对污泥暗发酵产氢的影响及机理研究

• 作 者: 段玉莹
• 出 处: 湖南大学
• 发表日期: 2020年07期
• 关键词: 游离氨 剩余活性污泥 暗发酵 氢气

由于能源危机和环境污染,发展绿色新型能源与高效治理环境污染问题成为世界广泛关注的热点。其中,氢能由于其热值高、无污染、燃烧稳定、可再生等优势一直备受人们关注,被公认为可代替一次能源的为数不多的优质可选择能源。铵或游离氨（FA,即铵的非离子化形式）通常被认为可以抑制剩余活性污泥（WAS）中厌氧消化微生物的活性。然而本文的研究表明,游离氨的存在大大提高了碱性预处理（p H=9.5）污泥暗发酵的产氢效率。具体的实验探究过程分为以下几步:首先,本研究在不同浓度铵（NH₄⁺-N）存在的条件下,通过碱性预处理剩余活性污泥暗发酵产氢批次实验发现,NH₄⁺-N或游离氨的存在大大提高了碱性预处理污泥暗发酵的产氢效率。实验结果显示,在标准条件下,随着初始NH₄⁺-N浓度从3 6 m g/L增加到2 6 6 m g/L,碱性（p H=9.5）预处理污泥的最大产氢量从7.3 m L/g VSS增加到15.6 m L/g VSS。当N H ₄⁺-N进一步增加至3 0 8 m g/L时,导致产氢量略微降低至1 5.0 m L/g V S S。接着我们通过与上述相同浓度N H₄⁺-N存在条件下,酸性预处理污泥暗发酵产氢批次实验确定,FA而非NH₄⁺-N,是提高产氢效率的真正因素。其次,本研究通过FA对污泥溶出影响的探究实验,证明了游离氨的存在促进了细胞外和细胞内有机物成分的释放,其可作为后续的发酵产氢底物,从而提高暗发酵产氢性能。接下来,通过模拟发酵各阶段的配水批次实验,本课题研究了游离氨预处理技术对污泥暗发酵水解、酸化、乙酸化、同型产乙酸、产甲烷和硫酸盐还原阶段的影响。结果证明,游离氨确实是一种生物抑制剂,实验浓度范围的FA（即0⁴44 mg/L）,除了对乙酸化过程影响不显著,基本上抑制了其它所有的生物过程。尽管如此,但其对氢消耗过程的抑制作用（即同型产乙酸、产甲烷和硫酸盐还原过程）比氢产生过程的抑制（如水解和酸化过程）要严重得多。最后,本研究通过长期半连续反应器中的酶活实验分析研究进一步表明,游离氨对蛋白酶（protease）,丁酸激酶（butyrate kinase）,乙酸激酶（acetate kinase）,辅酶A转移酶（Co A-transferase）和[Fe Fe]氢化酶（[Fe Fe]hydrogenase）活性只产生轻微影响,但却在很大程度上抑制了辅酶F420,一氧化碳脱氢酶（carbon monoxide dehydrogenase）和腺苷酸硫酸还原酶（adenylyl sulfate reductase）的活性。该实验结果与之前的化学分析结果完全一致,进一步阐明了FA促进污泥暗发酵产氢的机理。本研究还分析了FA预处理技术应用于污水处理厂的意义,为工程技术人员利用污泥暗发酵技术制氢提供理论依据,打下基础;也为将来污水处理厂处理处置剩余活性污泥制定更为经济的策略提供参考和技术支持。