论文部分内容阅读
妥善处理生活污水处理过程中产生的剩余污泥(WAS),是环境治理中亟待解决的问题,利用厌氧消化技术产挥发性脂肪酸(VFAs)已成为剩余污泥资源化处理的热点和重点。论文针对污泥厌氧消化工艺存在的有机物水解产酸效率低、发酵后污泥脱水性能恶化以及发酵残渣缺乏合理处理等问题,围绕“高效、低成本预处理技术开发”、“消化产酸及脱水性能的同步改善”以及“发酵污泥残渣综合利用”三个方面开展工作.:开发了零价铁(ZVI)酸解预处理技术、亚硝酸盐预处理联合碱性发酵技术,对影响发酵产酸的主要因素和机理进行了阐述;提出了联合使用NaOH和Mg(OH)2调控污泥碱性发酵,同步实现了产酸效能及脱水效能的改善;以污泥发酵后残渣作为原料,采用热解技术制备生物炭,开展其在水体除磷及土壤改良等方面的应用研究;最后考察了商品生物炭和肥料混施对土壤养分淋滤的影响,为剩余污泥基生物炭的土壤利用提供了理论依据和技术支撑。主要研究内容如下:(1)探讨了 ZVI酸解预处理、亚硝酸盐联合碱性发酵两种强化技术对污泥中有机物水解及产酸的促进作用。试验结果表明,ZVI酸解预处理技术显著提高污泥的水解产酸效能,当pH为3.0,ZVI投加量为1g/g时,SCOD浓度提高至1803 mg/L,同时最大VFAs积累量达到900 mg/L,是同期对照组的2.5倍。机理研究表明,ZVI提高了水解酶活性,强化溶解态大分子有机物的水解以及小分子水解产物的降解酸化过程,使VFAs得以大量积累;采用亚硝酸盐对污泥进行预处理,发现亚硝酸盐能够有效破坏污泥絮体结构,促使紧密型胞外聚合物(TB-EPS)向松散型胞外聚合物(LB-EPS)转变,进而促进细胞内有机物的快速释放,SCOD浓度较对照实验组提高了 2.2倍。同时,结合碱性发酵能抑制游离亚硝酸(FNA)的衍生,进而抑制其对发酵性细菌的持续杀灭作用,亚硝酸盐预处理结合碱性发酵对VFAs积累起到协同强化作用,最大VFAs产量为 527.9 mg COD/g VSS。(2)采用NaOH和Mg(OH)2联合处理技术,同步改善了剩余污泥发酵产酸和脱水性能。研究发现,相比于单独NaOH处理,NaOH/Mg(OH)2混合比为75:25条件下取得最大产酸量461 mg COD/g VSS,且污泥的脱水性能得到显著改善。机理研究表明,Mg(OH)2能维持发酵过程的碱性环境,进而抑制产甲烷菌的活性。此外,发酵过程中M:与EPS之间的架桥作用和胞外聚合物分布变化是污泥水解、脱水能力改善的主要原因。高通量测序分析显示,NaOH和Mg(OH)2联合处理对发酵过程的微生物种群组成有明显的选择性,主要参与有机物降解、VFAs合成过程的发酵性菌群如Bacteroidetes,Proteobacteria 及 Firmicutes 成为优势菌群。(3)以上述污泥发酵残渣为原料制备得到生物炭(ADBC),系统研究了不同热解温度下所制备的ADBC的理化性质,并考察了其对水体中磷的吸附性能与吸附机理。试验结果表明,与原污泥制备的生物炭相比,600℃下制备的发酵污泥残渣基生物炭ADBC-600对磷的吸附性能最强,最大磷吸附容量为21 mg/g。通过计算模型进一步阐释吸附过程中吸附动力学及等温线等吸附特性,ADBC-600对磷的吸附行为更加符合准二级动力学方程,表明该吸附过程主要以化学反应为主导;ADBC-600的磷吸附等温曲线更加符合Langmuir方程,表明ADBC-600表面主要发生均相反应。机理研究发现,ADBC-600主要通过生物炭中的Mg与磷的共沉淀作用实现磷的固定。(4)以ADBC-600吸附磷后的废渣ADBC-P作为土壤改良剂,研究了其对土壤pH、有效养分和有机质含量的影响。结果表明,ADBC-P对土壤pH影响不大,不会对土壤酸碱度有明显的冲击。ADBC-P的施用对土壤中有效磷、钾和镁的含量分别提高了 146%、24%和70%,并促进小麦苗发芽及植株初期生长发育。其主要机理是ADBC-P本身富含这些养分,生物炭的直接施用提高了土壤中养分的含量。(5)将不同种类的商品生物炭(小麦秸秆基生物炭和桉树木基生物炭)与肥料(化学肥料和矿物质肥料)混合施用,通过淋滤试验、小麦盆栽考察了土壤中养分淋失情况及其对小麦生长和营养物质吸收等方面的影响。实验结果表明,生物炭和肥料种类对土壤中不同养分的淋失均有重要的影响,其中小麦秸秆基生物炭的添加显著减少了土壤中NH4+和NO3-的淋失,但是增加了 P和K的淋失量。相比之下,桉树木基生物炭的添加显著减少了施用矿物质肥料土壤中NH4+、NO3-和P的淋失量,以及施用化学肥料处理土壤中的NO3-的淋失量。生物炭与肥料混施能够显著提高土壤中养分的持留,增加小麦地上部分营养元素的积累量,促进了小麦的生长。这主要归因于生物炭的施入导致本身含有的大量营养元素的释放以及土壤养分可利用性的提高。