APG06与CTAB联合预处理改善污泥产酸及微生物特征.pdf

第 卷第 期 年 月应 用 化 工 .收稿日期:修改稿日期:基金项目:重庆市科技局项目()重庆市排水有限公司项目()作者简介:张汛()女安徽六安人在读硕士研究生师从潘伟亮教授主要从事污泥脱水与资源化研究 电话:.通信作者:潘伟亮教授博士从事污泥处理与资源化研究 :.与 联合预处理改善污泥产酸及微生物特征张汛康英豪练春江刘少武蔡安蓉潘伟亮(.重庆交通大学 环境水利工程重庆市工程实验室重庆.重庆水务集团股份有限公司重庆)摘 要:研究 与 联合预处理下污泥水解酸化、粒径削减及脂肪酸产生的效果并结合微生物多样性和种群结构分析初步阐明了联合预处理改善污泥水解酸化的作用机制 结果表明 与 联合预处理可有效提升水解酸化效率有效缩短产短链脂肪酸的时间且对小粒径改善效果更佳各实验组污泥的、蛋白质、多糖都在 内达到下降峰值可将 降解为较小的溶解有机物并转化为 污泥经过预处理后可有效削减污泥粒径提高了乙酸、丙酸及正戊酸的产量 随着 用量的添加反应体系不利于拟杆菌门的生长有利于厚壁菌门的生长这为中链脂肪酸的合成提供了环境基础促进了 的生成关键词:活性污泥厌氧发酵脂肪酸中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.:剩余污泥含有大量有机物和营养污染物厌氧发酵可以将剩余污泥中的有机物转化为脂肪酸一类的增值产品 烷基糖苷()是国际公认的“绿色”功能性非离子表面活性剂 由于其廉价、无毒和可快速生物降解的优点已被广泛应用于工业洗涤剂以及药物输送、农业化学和食品生产中 是一种阳离子表面活性剂可以有效地降解类蛋白质物质破坏絮体基质促进污泥絮体溶解释放出被 包裹的水分和有机质 本文采用阳离子表面活性剂 和 对污泥进行联合预处理以探索更加经济、绿色脂肪酸生产工艺为后续污泥产酸资源化提供技术参考 实验部分.材料与仪器污泥取自重庆市鸡冠石污水处理厂二沉池置于 冰柜静置 后排除上清液浓缩后黑暗条件保存于 冰柜备用正己基葡萄苷()、十六烷基三甲基溴化铵()均为分析纯 气相色谱仪 激光粒度仪 紫外可见光分光光度计 高速离心机 电热恒温鼓风干燥箱智能消解仪应用化工第 卷.实验方法设置 与污泥的质量比为 与污泥的质量比为 将 质量分数为 的污泥样品置于 反应器中整个污泥处理过程在密封性良好的 聚丙烯螺口圆底带印刷刻度离心管中进行 另一组不添加生物表面活性剂的实验被设置为空白共设置了 组实验(每组实验包括 个并联实验共 组)发酵前向反应器中通入氮气 以消除氧气 然后将反应器盖上盖子并在()、/下培养 在发酵过程中的 和第 天采集污泥样品使用激光粒度仪测定污泥样品粒径并另取污泥样品在 /下离心 然后过.膜测定、氨氮及挥发性脂肪酸等含量发酵液样品在 /下分别离心 后测定溶解性有机质的含量.分析方法污泥上清液中指标的分析检测按照水和废水监测分析方法(第 版)进行 污泥经高速离心机在 /条件下离心 取其上清液经.玻璃纤维膜过滤取滤液测、氨氮等指标 每次测定均取 个平行样取平均值 脂肪酸的测定采用绝对标准曲线法通过气相色谱仪进行检测 蛋白质的测定采用考马斯亮蓝法多糖的测定采用苯酚硫酸法 的提取采用热提取法 污泥粒径采用激光粒度仪测定 微生物样品送上海美吉生物医药科技有限公司检测 结果与讨论.联合预处理对污泥水解的影响实验结果见图 图 图 污泥中()、氨氮()、蛋白质()、多糖()浓度随时间的变化.由图 可知各实验组污泥、蛋白质、多糖具有相似的变化趋势且在 内达到峰值 随后的 浓度又快速降低 后 浓度有所回升并渐渐趋于稳定 而氨氮浓度呈总体升高趋势第 天后氨氮的浓度随时间的推移逐步上升并在第 天左右相对稳定 浓度变化与 等研究不同 剂量条件下 浓度在 内快速上升的趋势相似说明在反应初期体系中各项指标浓度均较高这可能与初期污泥液相占比较少有关 浓度的变化可以间接反映 中蛋白质的释放性能随反应进行蛋白质进一步水解成氨基酸最后转化为氨氮使得上清液中氨氮含量升高 蛋白质与多糖的浓度随时间的变化与 等的研究相似而较大的检测浓度可能与反应初期体系液相中高浓度的 有关 实验结果表明与 联合预处理可有效破解污泥结构提高污泥水解效率且更高剂量的 可促进水解反应的进行 由图 可知空白实验组污泥、及 中蛋白质浓度基本维持在一个稳定的水平而经过表面活性剂联合预处理后的各实验组反应器内污泥的、以及 中蛋白质浓度均在 中快速攀升至峰值随后 的浓度在 内迅速下降 随着 用量的增加 各组成均呈增加的趋势 在 的组成中 各实验组总 峰值浓度分别为./经联合处第 期张汛等:与 联合预处理改善污泥产酸及微生物特征理的污泥各 组分中物质的浓度均高于空白组且联合处理污泥的 浓度降低得最多可能归因于 的水解作用破坏了絮凝体的结构再加上 对污泥细胞的快速降解更多的 被降解为较小的溶解有机物并转化为 图 联合预处理下污泥中 的变化.联合预处理下 的变化.联合预处理下 的变化.联合预处理下 的变化.联合预处理下总 的变化 由图 可知污泥粒径的变化相对较小且联合预处理实验组在对污泥粒径削减效率上具有相同的趋势即()()()各预处理实验组在对污泥粒径改善总效率上 实验组 实验组 实验组说明更高剂量的 添加更有利于污泥粒径的削减 研究表明表面活性剂的使用可以很好地释放污泥中结合水改变污泥结构 污泥经过预处理后可有效削减污泥粒径减小污泥的 电位和黏度改善污泥脱水性 然而实验组污泥粒径的变化相对较小这可能与过量的 的存在使得污泥在反应体系中分散稳定有关这也使得污泥脱水效果不能达到最佳图 污泥粒径分布区间.空白组污泥粒径.组污泥粒径.组污泥粒径.组污泥粒径应用化工第 卷.联合预处理对污泥厌氧发酵产酸的影响剩余污泥发酵生产 主要经历增溶、水解和酸化的步骤 空白组稳定后短链脂肪酸()浓度约为./实验组稳定后 浓度约为./实验组稳定后 浓度约为./实验组稳定后 浓度约为./实验组和 实验组对污泥产 的提升效果更为相近 实验组具有最佳的产 效能由图 可知在不同条件预处理的情况下经过 厌氧发酵后 的产量达到最大值然后趋于稳定出现这种情况的原因可能是因为表面活性剂促进了酶的活性促进水解产生溶解性有机物为产酸微生物发酵提供了有利底物后面 出现下降的趋势可能是产甲烷菌利用生成的 用于产甲烷 由此可知基于联合预处理的最佳发酵时间应为 可以最大限度地提高 产量 之前的研究表明传统预处理方法的最佳发酵时间为 明显长于本研究中的联合预处理图 总短链脂肪酸浓度随时间的变化.由图 可知空白实验组在反应开始阶段由于污泥水解释放有机物质产生了较高的乙酸浓度随后乙酸被消耗 后各脂肪酸浓度均保持稳定 由图 可知预处理实验组随着反应的进行乙酸、丙酸和正戊酸以相同的趋势稳定增长 后保持稳定 而异丁酸和正丁酸在整个反应过程中基本保持稳定图 脂肪酸各组分浓度随时间的变化.空白组脂肪酸浓度.组脂肪酸浓度.组脂肪酸浓度.组脂肪酸浓度 联合预处理后大大促进了污泥水解产酸可能因为表面活性剂的存在刺激了酶的活性提高乙酸、丙酸及正戊酸的产量 在三种不同预处理条件下正戊酸提升效果最为显著说明 与 联合使用对污泥进行预处理可有效提高大分子量 的产率 对污泥水解产酸效果为 实验组 实验组 实验组.联合预处理对污泥微生物群落的影响为探究驯化期间微生物菌群的变化情况选取样品对其多样性进行检测多样性指数见表、和 指数是表征微生物物种丰富度以及微生物多样性的指标 通过 指数和 指数进行丰富度和多样性分析稀释曲线见图 和图 由表 可知联合预处理后、和 指数均减小表明微生物物种丰富度在逐渐降低与此同时 指数相对空白组分别从.下降至.表明微生物多样性也在逐渐第 期张汛等:与 联合预处理改善污泥产酸及微生物特征降低 综上随着两种表面活性剂的添加微生物多样性和丰富度都在逐渐降低表明体系中出现了优势菌群并筛出部分不适此时体系环境的微生物 等在用铁()结合亚硫酸盐预处理过程中的微生物多样性变化也有类似的结果表 微生物多样性指数 样品 .图 稀释曲线分析.图 稀释曲线分析.在不同剂量的 与 联合预处理下可使微生物多样性和丰富度逐渐降低筛分出部分优势菌种 在门水平上看联合预处理可使得拟杆菌门()的丰度大大降低并提高了厚壁菌门()的丰度 具有厚厚的细胞壁能够在不同的污泥处理(例如加热、碱化、酸化)中存活含有多种产乙酸菌可将多种 代谢成乙酸、和 还有利于碳链延伸过程促进 的产量 且 门下的许多微生物能在厌氧条件下降解有机物生成 因此在联合预处理下 相对丰度的增加促进了 的生成且说明了更高剂量的 与 联合预处理下更有利于碳链延伸过程 在属水平上拟杆菌门()的 有利于提高参与乳酸和丙酸生成过程中的酶的活性 酶通过促进底物水解酸化溶出释放蛋白质和碳水化合物类物质推动了发酵反应向产生 方向移动促进水解产酸的进行有效实现反应体系在乳酸和丙酸方面的积累 其在厌氧发酵实验结束后丰度显著降低说明反应后体系环境已不足以支撑该菌种的优势生存并在实验过程中产生了一定量的乳酸 厚壁菌门()中的 在 实验组条件下更有利于水解产酸过程 的存在也说明了有碳链延伸反应的发生及中链脂肪酸的产生 梭菌()的存在对碳链延伸过程有促进作用 但在本研究的体系中并未检出科氏梭菌()这与 等进行厌氧发酵实验后得到的结果相似 结论联合预处理条件下对污泥水解酸化、粒径削减及脂肪酸产量均有较好的效果污泥中 被降解为较小的溶解有机物并转化为 其中以 条件下效果最佳联合预处理的最佳发酵时间为 最大限度地提高 产量主要提高了乙酸、丙酸及正戊酸的产量且对正戊酸提升效果最为显著联合预处理中随着 用量的添加会抑制拟杆菌门微生物的生长有利于厚壁菌门微生物的生长有利于改善产中链脂肪酸环境促进了有碳链延伸反应的发生及中链脂肪酸的产生参考文献:.:.().:.:.:.潘伟亮欧阳荭霖李涛等.生物炭负载纳米铁系金属去除硝酸盐作用研究.应用化工():.应用化工第 卷 ():.:.:.().:.():.():.():.:.叶红梅刘祖文田帅.污泥厌氧发酵产酸技术研究进展.应用化工():.:.:.:.:.:.()():.:.:.():.孙卫宁韩盼李夏桐等.剩余污泥酸性发酵释磷影响因素研究进展.应用化工():.:.:.吕景花李婉婷万芸菲等.不同 条件下剩余污泥厌氧发酵过程中溶出物的释放.环境工程学报():.:.:.:.(上接第 页)邓聚龙.灰色控制系统.华中工学院学报():.李芸邑刘利萍刘元元.长江经济带工业污染排放空间分布格局及其影响因素.环境科学():.刘茂辉翟华欣刘胜楠等.基于 方法和 模型的天津市碳排放量对比分析.环境工程技术学报():.程硕阳富强.年我国危险化学品事故统计及灰色关联分析.应用化工():.张爱琳白丽娜韩液等.基于多变量分数阶灰色模型的郑州市空气质量预测.安全与环境学报():.梁启惠.大气环境污染的灰色预测初探.环境工程():.夏会会丁镭曾克峰等.年长江经济带工业发展过程中的大气环境污染效应.长江流域资源与环境():.:.