自热式好氧厌氧一体化反应器处理城镇污水厂污泥的试验研究

【摘要】：近年来，我国城市生活垃圾清运量快速增加，但一些城市垃圾无害化处理能力不足，配套设施不齐全，造成“垃圾围城”的现象时有发生。污水处理厂污泥产量也在不断增长，但普遍存在的污泥出路不畅已影响到污水厂的正常运行。小城镇由于经济发展水平和相关技术人才的缺乏，垃圾和污泥处理的问题更为突出，因此，开发一种成本可接受、管理运行简便的技术已迫在眉睫。围绕节能减排与循环利用这一重大原则，本研究在课题组前期小试成果的基础上，开发了自热式好氧厌氧一体化反应器（SHAAI反应器），反应器由污泥仓和垃圾仓组成，二者容积根据热量平衡要求，依据小城镇生活垃圾实际产生量与同等规模污水处理厂污泥产生量的比值确定，这样既能充分利用垃圾产热为污泥厌氧消化提供温度条件，还具有节约投资和用地，便于管理，实现垃圾和污泥处理区域平衡的优势。以大渡口区的生活垃圾及大渡口污水处理厂储泥池的污泥为研究对象，对反应器进行了系统的试验研究，取得的主要结论如下： ①开发了自热式好氧厌氧一体化处理中试反应器，垃圾仓有效容积为5.28m3，污泥仓有效容积为0.9m3，污泥仓外室与内室体积比为1.48:1，垃圾仓和污泥仓分别采用好氧堆肥和厌氧消化的方式开展试验研究。 ②利用SHAAI反应器进行了启动试验研究，每天处理垃圾200kg，污泥投配率为10%，在启动试验过程中，污泥仓内、外室温度与垃圾仓温度变化趋势基本一致，而且温度相差不大，说明垃圾仓产热对污泥仓温度变化的影响显著，二者之间的传热效率较高；反应器运行稳定，污泥仓内pH值、碱度、VFA和SCOD等指标均在微生物适宜生存范围之内；污泥浓缩效果较好，排泥体积较进泥减少68%，而有机质去除率仅为13.2%。 ③在15%、20%和25%等投配率下进行了SHAAI中试反应器处理效能的研究。结果表明：污泥仓的温度变化趋势与垃圾仓的基本一致，在污泥投配率为20%时，反应器的处理效能最好，污泥仓平均温度35.2±2.5℃；在该投配率下，污泥仓内、外室的pH值、碱度、VFA和SCOD均在厌氧菌适宜的范围之内，没有出现酸化现象；反应器浓缩效果较好，含水率由进泥的98.4±0.6%降至排泥的89.7±1.8%，污泥体积减少84.5%；VS/TS由进泥的0.393±0.02减少至排泥的0.299±0.008，有机质平均去除率为24.0±3.6%；日均产气量为110L/d，其中，甲烷占气体总体积的61.6%，二氧化碳占24.2%，氮气占12.5%，氧气占0.9%；随着污泥厌氧消化过程的进行，EPS、蛋白质和多糖含量逐渐减少，且蛋白质/多糖在厌氧消化过程中发生了改变。 ④在各自最佳工况下，对课题组开发的两相一体式污泥浓缩消化反应器（TISTD反应器）在恒温加热条件下、两相一体式污泥浓缩消化生产性试验反应器（TISTDP反应器）在常温条件下和SHAAI反应器在自热条件下的污泥厌氧消化处理性能进行了对比分析，结果表明：TISTD反应器温度波动最小，浓缩效果和稳定性最好，产气中甲烷含量最高，综合处理效能最佳；SHAAI反应器综合处理效能次之，但和TISTD反应器非常接近；TISTDP反应器综合处理效能相对最差。 ⑤对不同投配率下污泥仓微生物的基因组DNA进行PCR扩增和变性梯度凝胶电泳（DGGE）试验，结果表明：扩增后的条带清晰，亮度较高，PCR扩增效果较好，产物纯度高；DGGE图谱均有多个条带，说明微生物呈多样性分布，表明在垃圾堆肥产热的条件下，SHAAI反应器污泥厌氧消化能够维持多种微生物生长，具有较强的抗冲击负荷能力；香农-威纳指数(H)和物种丰富指数结果表明污泥仓内、外室微生物呈多样性分布，且在同一投配率下，污泥仓外室物种丰富指数和香浓-维纳指数均大于污泥仓内室。 ⑥将不同投配率下反应器污泥样品DGGE图谱中的特异性条带1至27进行了割胶回收、扩增、克隆和测序，并与GenBank中的序列进行比对，结果表明：在反应器稳定运行阶段，微生物种群结构进入较长的稳定期，优势种群明显且不易更替。反应器中的优势菌种大部分为Clostridium acidurici等具有水解酸化功能的菌属以及Helicobacter muridarum等盐螺旋藻属的厌氧菌，同源性基本都在95%以上。 ⑦论文最后对SHAAI反应器有机物去除动力学进行了分析。基于米-门公式，采用试验数据求定了不同投配率下反应器有机物的降解动力学参数max和Ks，结果表明：当投配率为20%时，vmax达到最大，为0.025d-1，证明了最佳投配率为20%的结论；垃圾仓的温度与污泥仓温度呈直线相关关系，相关系数R2=0.825，说明垃圾仓温度对污泥仓温度造成了比较显著的影响。 研究证实利用一体化反应器处理城镇生活垃圾和污水处理厂污泥是可行的，试验结果为SHAAI反应器的工程设计、运行和控制方面提供了较系统的理论和技术支撑，对推动污泥与垃圾一体化处理技术在小城镇工程化应用、实现小城镇污泥和垃圾处理的区域平衡方面具有重要意义。 【关键词】：污泥厌氧消化 垃圾好氧堆肥 自热式反应器 温度 微生物
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：X703
【目录】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-11
• 1 绪论11-35
• 1.1 研究背景11-12
• 1.2 生活垃圾的处理处置技术12-16
• 1.2.1 生活垃圾处理与处置工艺概述12-14
• 1.2.2 生活垃圾好氧堆肥研究现状14-16
• 1.3 污水厂污泥处理与处置技术16-29
• 1.3.1 污水厂污泥处理与处置工艺概述17-22
• 1.3.2 污泥厌氧消化研究现状22-29
• 1.4 污水厂污泥与生活垃圾的一体化处理技术29-32
• 1.4.1 污水厂污泥与生活垃圾的协同处理工艺29-30
• 1.4.2 污水厂污泥与生活垃圾的协同化处理研究现状30-32
• 1.5 课题的提出和研究内容32-35
• 1.5.1 研究目的32
• 1.5.2 主要研究内容32-33
• 1.5.3 研究方法与技术路线33
• 1.5.4 课题来源33-35
• 2 反应器设计与试验安排35-49
• 2.1 实验室试验35-37
• 2.1.1 小试试验结果小结35-36
• 2.1.2 存在的问题和改进思路36-37
• 2.2 一体化中试反应器的设计37-42
• 2.2.1 设计关键问题37-38
• 2.2.2 反应器各部尺寸的设计38-40
• 2.2.3 反应器的模型构造40-42
• 2.3 反应器的运行方式42-44
• 2.3.1 垃圾仓的运行方式42-43
• 2.3.2 污泥仓的运行方式43-44
• 2.4 试验材料与方法44-48
• 2.4.1 试验流程44-45
• 2.4.2 试验材料性质45
• 2.4.3 分析方法45-48
• 2.5 本章小结48-49
• 3 反应器启动试验研究49-61
• 3.1 启动方式的选择49-50
• 3.1.1 污泥仓的启动方式49
• 3.1.2 垃圾仓的堆肥与启动方式49-50
• 3.2 反应器的启动50-51
• 3.2.1 污泥仓的启动50
• 3.2.2 垃圾仓的启动50-51
• 3.3 启动试验的结果与讨论51-60
• 3.3.1 反应器温度的变化51-52
• 3.3.2 污泥与垃圾含水率的变化52-53
• 3.3.3 污泥挥发性有机物与总固体的变化53-54
• 3.3.4 反应器 pH 值与碱度的变化54-57
• 3.3.5 反应器挥发性脂肪酸与溶解性 COD 的变化57-59
• 3.3.6 产气量59-60
• 3.4 本章小结60-61
• 4 反应器处理效能研究61-89
• 4.1 试验工况选择及操作方法61-62
• 4.1.1 试验运行工况的选择61
• 4.1.2 反应器运行的操作方式61-62
• 4.2 反应器不同工况试验结果分析62-71
• 4.2.1 反应器各仓温度变化情况分析62-63
• 4.2.2 反应器稳定性能分析63-67
• 4.2.3 污泥浓缩效果分析67
• 4.2.4 有机质去除效果分析67-68
• 4.2.5 污泥仓产气分析68-70
• 4.2.6 反应器的最优运行条件70-71
• 4.3 反应器微生物胞外聚合物组分及含量变化分析71-75
• 4.3.1 EPS 含量变化分析71-72
• 4.3.2 EPS 组分含量变化分析72-75
• 4.4 常温、恒温与自热条件下反应器性能对比研究75-87
• 4.4.1 试验装置及试验条件介绍75-79
• 4.4.2 处理效果对比分析79-87
• 4.5 本章小结87-89
• 5 反应器中微生物种群多样性及群落结构演替研究89-111
• 5.1 试验材料及方法89-93
• 5.1.1 试验试剂89-90
• 5.1.2 试验仪器90
• 5.1.3 样品的采集及预处理90
• 5.1.4 基因组 DNA 的提取90-91
• 5.1.5 PCR 扩增91-92
• 5.1.6 变性梯度凝胶电泳和产物分析92-93
• 5.2 反应器中微生物种群多样性研究93-102
• 5.2.1 污泥总 DNA 提取及 V3 区 PCR 扩增产物分析93-94
• 5.2.2 微生物 PCR 扩增产物的 DGGE 分离94-97
• 5.2.3 DGGE 图谱的微生物种群多样性分析97-98
• 5.2.4 DGGE 图谱的微生物相似性与群落结构演替分析98-102
• 5.3 反应器中微生物群落结构与优势菌种分析102-110
• 5.3.1 切胶回收 DNA 的 PCR 扩增102-103
• 5.3.2 反应器中微生物种群组成分析103-110
• 5.4 本章小结110-111
• 6 反应器动力学模型研究111-119
• 6.1 模型选择与推导111-113
• 6.2 反应器动力学模型研究113-118
• 6.2.1 反应器动力学参数推求113-117
• 6.2.2 垃圾仓温度与污泥仓温度之间的关系117-118
• 6.3 本章小结118-119
• 7 结论与建议119-123
• 7.1 结论119-121
• 7.2 存在的问题及建议121-123
• 致谢123-124
• 参考文献124-135
• 附录135
• A. 作者在攻读博士学位期间发表的学术论文135
• B. 作者在攻读博士学位期间申请的专利135
• C. 作者在攻读博士学位期间主研和参加的科研项目135
• D. 作者在攻读博士学位期间的获奖情况135

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