鐵腐蝕析氫強化甲烷產(chǎn)率實驗研究

【摘要】：傳統(tǒng)污泥厭氧消化能量轉(zhuǎn)化效率不高，限制了從剩余污泥中回收能量的實際應(yīng)用。為了改變這種現(xiàn)狀，需要對污泥厭氧消化所涉及的微生物代謝過程進行深入剖析，設(shè)法在中間環(huán)節(jié)強化能量轉(zhuǎn)化。在污泥厭氧消化過程中，相當(dāng)一部分有機物被直接穩(wěn)定至CO_2，而自養(yǎng)產(chǎn)甲烷菌和同型產(chǎn)乙酸菌可以利用CO_2和H_2進行生長代謝。顯然，如果系統(tǒng)內(nèi)存在足夠多的H_2，有機物中的C就可以最大程度地轉(zhuǎn)化成可利用能量CH_4，剩余污泥的能量轉(zhuǎn)化效率也就隨之提高。 本研究課題擬采用向污泥厭氧消化系統(tǒng)中外加廢棄鐵屑（WIS）的方式，利用零價鐵（Fe~0）在厭氧環(huán)境中的析氫腐蝕向系統(tǒng)內(nèi)持續(xù)補充H_2，以強化上述產(chǎn)甲烷過程，提高污泥厭氧消化能量產(chǎn)率。與此同時，鐵腐蝕產(chǎn)生的Fe~(2+)及Fe(OH)_2有可能將系統(tǒng)中的高濃度磷沉淀去除。 實驗研究分4步進行：1）耗氫細(xì)菌利用鐵腐蝕析氫和外加碳源產(chǎn)甲烷的實驗研究；2）零價納米鐵腐蝕析氫對實際污泥厭氧消化系統(tǒng)產(chǎn)甲烷及除磷的影響；3）廢鐵屑腐蝕析氫強化甲烷產(chǎn)率及除磷；4）擴大兩級電位差加速鐵腐蝕析氫。 首先采用性質(zhì)活潑、反應(yīng)迅速的零價納米鐵（NZVI）作為鐵腐蝕材料。結(jié)果發(fā)現(xiàn)NZVI在純水中的析氫腐蝕現(xiàn)象十分明顯，伴隨產(chǎn)生的Fe~(2+)和OH-并未明顯超出產(chǎn)甲烷菌耐受范圍，對微生物的毒性效應(yīng)不是十分明顯。微生物可以利用NZVI腐蝕析出的H_2和外加的CO_2作為代謝底物，產(chǎn)CH_4的同時自身進行生長繁殖。0.5g、1.0g、3.0g和5.0g NZVI4天內(nèi)腐蝕析出的H_2被微生物利用后產(chǎn)甲烷量分別為32.8mL、47.5mL、96.9mL和140.4mL。 將NZVI用于實際污泥厭氧消化系統(tǒng)（300ml）發(fā)現(xiàn)，投加0.5g和1.0g NZVI分別使各系統(tǒng)生成的沼氣中CH_4含量上升了27.5%和37.4%，最終導(dǎo)致甲烷產(chǎn)率提高42.3%和60.5%。這一結(jié)果說明，在污泥厭氧消化系統(tǒng)內(nèi)，微生物可以利用鐵腐蝕產(chǎn)生的H_2將剩余污泥發(fā)酵生成的CO_2轉(zhuǎn)化成CH_4。反應(yīng)穩(wěn)定后，污泥上清液中的PO_4~(3-)-P濃度分別下降了99.7%和99.9%，表明鐵腐蝕形成的Fe~(2+)及Fe(OH)_2幾乎絮凝沉淀了液體中全部的PO_4~(3-)。 選用廉價的WIS作為鐵腐蝕材料進行上述實驗，10g、20g和30g WIS分別使各系統(tǒng)所產(chǎn)沼氣中甲烷含量上升了8.4%、15.5%和20.8%，最終導(dǎo)致甲烷產(chǎn)率提高25.3%、35.9%和44.7%，而上清液中PO_4~(3-)-P濃度分別下降了87.4%、99.9%和99.9%。說明WIS也可以強化產(chǎn)甲烷過程，然而，鐵投加量增加而CH_4產(chǎn)量未能相應(yīng)增加的事實說明，WIS的腐蝕速度遠(yuǎn)不及NZVI。 針對WIS析氫腐蝕速度緩慢的問題，最后實驗嘗試外加廢銅屑和活性炭方式來擴大兩級電位差，以期加速WIS腐蝕析氫的速度。相比于對照組（只投加10g WIS），10g廢鐵屑+0.2g廢銅屑、10g廢鐵屑+0.2g活性炭只使沼氣中甲烷含量上升了1.4%和2.4%，最終甲烷產(chǎn)率提高了3.6%和8.4%，表明催化劑進一步強化WIS腐蝕析氫作用不大。 【關(guān)鍵詞】：剩余污泥 能量轉(zhuǎn)化 厭氧消化 甲烷 納米鐵 廢鐵屑 析氫腐蝕 除磷
【學(xué)位授予單位】：北京建筑工程學(xué)院
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：X703
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第1章 緒論9-17
• 1.1 課題研究背景9-10
• 1.1.1 污水處理廠提出“碳中和”口號9
• 1.1.2 剩余污泥厭氧消化——污水處理廠能源回收的重頭戲9-10
• 1.2 課題研究現(xiàn)狀10-16
• 1.2.1 污泥厭氧消化工藝10-14
• 1.2.2 鐵腐蝕析氫及除磷14-16
• 1.3 研究內(nèi)容及目的16
• 1.4 論文梗概16-17
• 第2章 實驗材料與方法17-34
• 2.1 實驗概述17-18
• 2.2 污泥厭氧消化中試系統(tǒng)18-23
• 2.2.1 反應(yīng)器18
• 2.2.2 運行參數(shù)18-20
• 2.2.3 運行結(jié)果20-23
• 2.3 實驗所用鐵23-25
• 2.3.1 零價納米鐵23-24
• 2.3.2 廢鐵屑24-25
• 2.4 分析方法25-27
• 2.4.1 熒光顯微鏡鏡檢25
• 2.4.2 產(chǎn)氣量的測定25-26
• 2.4.3 氣體組分的測定26-27
• 2.4.4 其它分析方法27
• 2.5 死活細(xì)胞染色（LIVE/DEAD）27-28
• 2.5.1 測定及分析方法27-28
• 2.5.2 產(chǎn)甲烷菌自熒光現(xiàn)象對 LIVE/DEAD 染色觀測結(jié)果的影響28
• 2.6 熒光原位雜交（FISH）28-34
• 2.6.1 探針28-29
• 2.6.2 實驗試劑的配制29-31
• 2.6.3 FISH 測定步驟31-34
• 第3章 耗氫細(xì)菌利用鐵腐蝕析氫和外加碳源產(chǎn)甲烷的研究34-46
• 3.1 實驗概述34-36
• 3.2 實驗結(jié)果與討論36-45
• 3.2.1 納米鐵腐蝕析氫狀況36-38
• 3.2.2 微生物利用鐵腐蝕析氫產(chǎn)甲烷結(jié)果38-40
• 3.2.3 納米鐵對厭氧微生物毒性效應(yīng)的研究結(jié)果40-45
• 3.3 本章小結(jié)45-46
• 第4章 零價納米鐵腐蝕析氫對污泥厭氧消化系統(tǒng)產(chǎn)甲烷及除磷的影響研究46-51
• 4.1 實驗概述46-47
• 4.2 實驗結(jié)果與討論47-50
• 4.2.1 納米鐵腐蝕析氫對污泥厭氧消化系統(tǒng)產(chǎn)甲烷的影響47-48
• 4.2.2 納米鐵腐蝕對污泥厭氧消化系統(tǒng)除磷的影響48-49
• 4.2.3 環(huán)境影響因子的變化49-50
• 4.3 本章小結(jié)50-51
• 第5章 廢鐵屑腐蝕析氫強化甲烷產(chǎn)率及除磷的研究51-56
• 5.1 實驗概述51-52
• 5.2 實驗結(jié)果與討論52-55
• 5.2.1 廢鐵屑腐蝕析氫強化甲烷產(chǎn)率結(jié)果52-53
• 5.2.2 廢鐵屑腐蝕析氫強化除磷結(jié)果53-54
• 5.2.3 環(huán)境影響因子的變化54-55
• 5.3 本章小結(jié)55-56
• 第6章 擴大兩級電位差加速鐵腐蝕析氫的研究56-60
• 6.1 實驗概述56-57
• 6.2 實驗結(jié)果與討論57-59
• 6.2.1 擴大兩級電位差對甲烷產(chǎn)率的影響57-58
• 6.2.2 擴大兩級電位差對除磷的影響58-59
• 6.3 本章小結(jié)59-60
• 結(jié)論60-62
• 參考文獻62-68
• 致謝68

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