自熱式好氧厭氧一體化反應(yīng)器處理城鎮(zhèn)污水廠污泥的試驗研究

【摘要】：近年來，我國城市生活垃圾清運量快速增加，但一些城市垃圾無害化處理能力不足，配套設(shè)施不齊全，造成“垃圾圍城”的現(xiàn)象時有發(fā)生。污水處理廠污泥產(chǎn)量也在不斷增長，但普遍存在的污泥出路不暢已影響到污水廠的正常運行。小城鎮(zhèn)由于經(jīng)濟發(fā)展水平和相關(guān)技術(shù)人才的缺乏，垃圾和污泥處理的問題更為突出，因此，開發(fā)一種成本可接受、管理運行簡便的技術(shù)已迫在眉睫。圍繞節(jié)能減排與循環(huán)利用這一重大原則，本研究在課題組前期小試成果的基礎(chǔ)上，開發(fā)了自熱式好氧厭氧一體化反應(yīng)器（SHAAI反應(yīng)器），反應(yīng)器由污泥倉和垃圾倉組成，二者容積根據(jù)熱量平衡要求，依據(jù)小城鎮(zhèn)生活垃圾實際產(chǎn)生量與同等規(guī)模污水處理廠污泥產(chǎn)生量的比值確定，這樣既能充分利用垃圾產(chǎn)熱為污泥厭氧消化提供溫度條件，還具有節(jié)約投資和用地，便于管理，實現(xiàn)垃圾和污泥處理區(qū)域平衡的優(yōu)勢。以大渡口區(qū)的生活垃圾及大渡口污水處理廠儲泥池的污泥為研究對象，對反應(yīng)器進行了系統(tǒng)的試驗研究，取得的主要結(jié)論如下： ①開發(fā)了自熱式好氧厭氧一體化處理中試反應(yīng)器，垃圾倉有效容積為5.28m3，污泥倉有效容積為0.9m3，污泥倉外室與內(nèi)室體積比為1.48:1，垃圾倉和污泥倉分別采用好氧堆肥和厭氧消化的方式開展試驗研究。 ②利用SHAAI反應(yīng)器進行了啟動試驗研究，每天處理垃圾200kg，污泥投配率為10%，在啟動試驗過程中，污泥倉內(nèi)、外室溫度與垃圾倉溫度變化趨勢基本一致，而且溫度相差不大，說明垃圾倉產(chǎn)熱對污泥倉溫度變化的影響顯著，二者之間的傳熱效率較高；反應(yīng)器運行穩(wěn)定，污泥倉內(nèi)pH值、堿度、VFA和SCOD等指標均在微生物適宜生存范圍之內(nèi)；污泥濃縮效果較好，排泥體積較進泥減少68%，而有機質(zhì)去除率僅為13.2%。 ③在15%、20%和25%等投配率下進行了SHAAI中試反應(yīng)器處理效能的研究。結(jié)果表明：污泥倉的溫度變化趨勢與垃圾倉的基本一致，在污泥投配率為20%時，反應(yīng)器的處理效能最好，污泥倉平均溫度35.2±2.5℃；在該投配率下，污泥倉內(nèi)、外室的pH值、堿度、VFA和SCOD均在厭氧菌適宜的范圍之內(nèi)，沒有出現(xiàn)酸化現(xiàn)象；反應(yīng)器濃縮效果較好，含水率由進泥的98.4±0.6%降至排泥的89.7±1.8%，污泥體積減少84.5%；VS/TS由進泥的0.393±0.02減少至排泥的0.299±0.008，有機質(zhì)平均去除率為24.0±3.6%；日均產(chǎn)氣量為110L/d，其中，甲烷占氣體總體積的61.6%，二氧化碳占24.2%，氮氣占12.5%，氧氣占0.9%；隨著污泥厭氧消化過程的進行，EPS、蛋白質(zhì)和多糖含量逐漸減少，且蛋白質(zhì)/多糖在厭氧消化過程中發(fā)生了改變。 ④在各自最佳工況下，對課題組開發(fā)的兩相一體式污泥濃縮消化反應(yīng)器（TISTD反應(yīng)器）在恒溫加熱條件下、兩相一體式污泥濃縮消化生產(chǎn)性試驗反應(yīng)器（TISTDP反應(yīng)器）在常溫條件下和SHAAI反應(yīng)器在自熱條件下的污泥厭氧消化處理性能進行了對比分析，結(jié)果表明：TISTD反應(yīng)器溫度波動最小，濃縮效果和穩(wěn)定性最好，產(chǎn)氣中甲烷含量最高，綜合處理效能最佳；SHAAI反應(yīng)器綜合處理效能次之，但和TISTD反應(yīng)器非常接近；TISTDP反應(yīng)器綜合處理效能相對最差。 ⑤對不同投配率下污泥倉微生物的基因組DNA進行PCR擴增和變性梯度凝膠電泳（DGGE）試驗，結(jié)果表明：擴增后的條帶清晰，亮度較高，PCR擴增效果較好，產(chǎn)物純度高；DGGE圖譜均有多個條帶，說明微生物呈多樣性分布，表明在垃圾堆肥產(chǎn)熱的條件下，SHAAI反應(yīng)器污泥厭氧消化能夠維持多種微生物生長，具有較強的抗沖擊負荷能力；香農(nóng)-威納指數(shù)(H)和物種豐富指數(shù)結(jié)果表明污泥倉內(nèi)、外室微生物呈多樣性分布，且在同一投配率下，污泥倉外室物種豐富指數(shù)和香濃-維納指數(shù)均大于污泥倉內(nèi)室。 ⑥將不同投配率下反應(yīng)器污泥樣品DGGE圖譜中的特異性條帶1至27進行了割膠回收、擴增、克隆和測序，并與GenBank中的序列進行比對，結(jié)果表明：在反應(yīng)器穩(wěn)定運行階段，微生物種群結(jié)構(gòu)進入較長的穩(wěn)定期，優(yōu)勢種群明顯且不易更替。反應(yīng)器中的優(yōu)勢菌種大部分為Clostridium acidurici等具有水解酸化功能的菌屬以及Helicobacter muridarum等鹽螺旋藻屬的厭氧菌，同源性基本都在95%以上。 ⑦論文最后對SHAAI反應(yīng)器有機物去除動力學(xué)進行了分析?；诿?門公式，采用試驗數(shù)據(jù)求定了不同投配率下反應(yīng)器有機物的降解動力學(xué)參數(shù)max和Ks，結(jié)果表明：當(dāng)投配率為20%時，vmax達到最大，為0.025d-1，證明了最佳投配率為20%的結(jié)論；垃圾倉的溫度與污泥倉溫度呈直線相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2=0.825，說明垃圾倉溫度對污泥倉溫度造成了比較顯著的影響。 研究證實利用一體化反應(yīng)器處理城鎮(zhèn)生活垃圾和污水處理廠污泥是可行的，試驗結(jié)果為SHAAI反應(yīng)器的工程設(shè)計、運行和控制方面提供了較系統(tǒng)的理論和技術(shù)支撐，對推動污泥與垃圾一體化處理技術(shù)在小城鎮(zhèn)工程化應(yīng)用、實現(xiàn)小城鎮(zhèn)污泥和垃圾處理的區(qū)域平衡方面具有重要意義。 【關(guān)鍵詞】：污泥厭氧消化 垃圾好氧堆肥 自熱式反應(yīng)器 溫度 微生物
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：X703
【目錄】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-11
• 1 緒論11-35
• 1.1 研究背景11-12
• 1.2 生活垃圾的處理處置技術(shù)12-16
• 1.2.1 生活垃圾處理與處置工藝概述12-14
• 1.2.2 生活垃圾好氧堆肥研究現(xiàn)狀14-16
• 1.3 污水廠污泥處理與處置技術(shù)16-29
• 1.3.1 污水廠污泥處理與處置工藝概述17-22
• 1.3.2 污泥厭氧消化研究現(xiàn)狀22-29
• 1.4 污水廠污泥與生活垃圾的一體化處理技術(shù)29-32
• 1.4.1 污水廠污泥與生活垃圾的協(xié)同處理工藝29-30
• 1.4.2 污水廠污泥與生活垃圾的協(xié)同化處理研究現(xiàn)狀30-32
• 1.5 課題的提出和研究內(nèi)容32-35
• 1.5.1 研究目的32
• 1.5.2 主要研究內(nèi)容32-33
• 1.5.3 研究方法與技術(shù)路線33
• 1.5.4 課題來源33-35
• 2 反應(yīng)器設(shè)計與試驗安排35-49
• 2.1 實驗室試驗35-37
• 2.1.1 小試試驗結(jié)果小結(jié)35-36
• 2.1.2 存在的問題和改進思路36-37
• 2.2 一體化中試反應(yīng)器的設(shè)計37-42
• 2.2.1 設(shè)計關(guān)鍵問題37-38
• 2.2.2 反應(yīng)器各部尺寸的設(shè)計38-40
• 2.2.3 反應(yīng)器的模型構(gòu)造40-42
• 2.3 反應(yīng)器的運行方式42-44
• 2.3.1 垃圾倉的運行方式42-43
• 2.3.2 污泥倉的運行方式43-44
• 2.4 試驗材料與方法44-48
• 2.4.1 試驗流程44-45
• 2.4.2 試驗材料性質(zhì)45
• 2.4.3 分析方法45-48
• 2.5 本章小結(jié)48-49
• 3 反應(yīng)器啟動試驗研究49-61
• 3.1 啟動方式的選擇49-50
• 3.1.1 污泥倉的啟動方式49
• 3.1.2 垃圾倉的堆肥與啟動方式49-50
• 3.2 反應(yīng)器的啟動50-51
• 3.2.1 污泥倉的啟動50
• 3.2.2 垃圾倉的啟動50-51
• 3.3 啟動試驗的結(jié)果與討論51-60
• 3.3.1 反應(yīng)器溫度的變化51-52
• 3.3.2 污泥與垃圾含水率的變化52-53
• 3.3.3 污泥揮發(fā)性有機物與總固體的變化53-54
• 3.3.4 反應(yīng)器 pH 值與堿度的變化54-57
• 3.3.5 反應(yīng)器揮發(fā)性脂肪酸與溶解性 COD 的變化57-59
• 3.3.6 產(chǎn)氣量59-60
• 3.4 本章小結(jié)60-61
• 4 反應(yīng)器處理效能研究61-89
• 4.1 試驗工況選擇及操作方法61-62
• 4.1.1 試驗運行工況的選擇61
• 4.1.2 反應(yīng)器運行的操作方式61-62
• 4.2 反應(yīng)器不同工況試驗結(jié)果分析62-71
• 4.2.1 反應(yīng)器各倉溫度變化情況分析62-63
• 4.2.2 反應(yīng)器穩(wěn)定性能分析63-67
• 4.2.3 污泥濃縮效果分析67
• 4.2.4 有機質(zhì)去除效果分析67-68
• 4.2.5 污泥倉產(chǎn)氣分析68-70
• 4.2.6 反應(yīng)器的最優(yōu)運行條件70-71
• 4.3 反應(yīng)器微生物胞外聚合物組分及含量變化分析71-75
• 4.3.1 EPS 含量變化分析71-72
• 4.3.2 EPS 組分含量變化分析72-75
• 4.4 常溫、恒溫與自熱條件下反應(yīng)器性能對比研究75-87
• 4.4.1 試驗裝置及試驗條件介紹75-79
• 4.4.2 處理效果對比分析79-87
• 4.5 本章小結(jié)87-89
• 5 反應(yīng)器中微生物種群多樣性及群落結(jié)構(gòu)演替研究89-111
• 5.1 試驗材料及方法89-93
• 5.1.1 試驗試劑89-90
• 5.1.2 試驗儀器90
• 5.1.3 樣品的采集及預(yù)處理90
• 5.1.4 基因組 DNA 的提取90-91
• 5.1.5 PCR 擴增91-92
• 5.1.6 變性梯度凝膠電泳和產(chǎn)物分析92-93
• 5.2 反應(yīng)器中微生物種群多樣性研究93-102
• 5.2.1 污泥總 DNA 提取及 V3 區(qū) PCR 擴增產(chǎn)物分析93-94
• 5.2.2 微生物 PCR 擴增產(chǎn)物的 DGGE 分離94-97
• 5.2.3 DGGE 圖譜的微生物種群多樣性分析97-98
• 5.2.4 DGGE 圖譜的微生物相似性與群落結(jié)構(gòu)演替分析98-102
• 5.3 反應(yīng)器中微生物群落結(jié)構(gòu)與優(yōu)勢菌種分析102-110
• 5.3.1 切膠回收 DNA 的 PCR 擴增102-103
• 5.3.2 反應(yīng)器中微生物種群組成分析103-110
• 5.4 本章小結(jié)110-111
• 6 反應(yīng)器動力學(xué)模型研究111-119
• 6.1 模型選擇與推導(dǎo)111-113
• 6.2 反應(yīng)器動力學(xué)模型研究113-118
• 6.2.1 反應(yīng)器動力學(xué)參數(shù)推求113-117
• 6.2.2 垃圾倉溫度與污泥倉溫度之間的關(guān)系117-118
• 6.3 本章小結(jié)118-119
• 7 結(jié)論與建議119-123
• 7.1 結(jié)論119-121
• 7.2 存在的問題及建議121-123
• 致謝123-124
• 參考文獻124-135
• 附錄135
• A. 作者在攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文135
• B. 作者在攻讀博士學(xué)位期間申請的專利135
• C. 作者在攻讀博士學(xué)位期間主研和參加的科研項目135
• D. 作者在攻讀博士學(xué)位期間的獲獎情況135

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