剩余污泥和园林凋落物共发酵产氢条件的优化及群落调节机制.pdf
摘要
剩余污泥是污水处理厂主要副产物,其富含碳水化合物、蛋白质和其它元素,是
生物质能源生产的理想原料。然而,剩余污泥中C/N较低且含有抑制物,导致其单
发酵产氢效率通常较低。园林凋落物富含木质纤维素,具有高C/N、产量大和价格低
廉等特点,与剩余污泥共发酵可以平衡C/N、降低系统中抑制物浓度。因此,本文以
剩余污泥和园林凋落物为共发酵基质,以颗粒污泥和絮状污泥混合物(按TS计算,
1:1)为接种污泥进行暗发酵产氢研究,为有机废弃物的能源化提供理论和技术支撑,
为我国能源战略转型做出积极贡献。
本文首先考察了剩余污泥与园林凋落物混合比(按TS计算,10:0、9:1、8:2、
7:3、6:4、5:5、4:6、3:7、2:8、1:9、0:10)对暗发酵产氢效能的影响。结果表明,剩
余污泥与园林凋落物最适混合比为1:9,该共发酵系统的氢气产率显著高于单发酵系
统,累积产氢量达到了51.9mL/gVS,分别比剩余污泥和园林凋落物单发酵高出1.5
和0.2倍。挥发性脂肪酸(VFAs)组成分析表明,剩余污泥单发酵系统中乙酸含量为
232.6mg/L,占VFAs总量的62.2%,乙酸途径为主要代谢途径。而在剩余污泥与园
林凋落物混合比为1:9的共发酵系统中,乙酸和丁酸为主要VFAs,二者之和占VFAs
总量的71.7%,表明该系统的发酵类型为丁酸型。微生物组成分析进一步揭示了园林
凋落物的加入促进了Escherichia-Shigella、Trichococcus的生长,使得优势细菌属从
Proteiniclasticum、Candidatus_Microthrix(剩余污泥单发酵系统)转变为Trichococcus、
Proteiniclasticum、Candidatus_Microthrix和Escherichia-Shigella(剩余污泥:园林凋落
物=1:9)。
在明确剩余污泥和园林凋落物最适混合比的基础上,本研究探讨了初始pH对剩
余污泥与园林凋落物共发酵产氢的影响。结果发现,在初始pH4.5-10.0范围内,当
初始pH为6.0时,剩余污泥与园林凋落物共发酵产氢效能最佳,其最大产氢量达到
了60.2mL/gVS。且在该共发酵系统中,VFAs以乙酸和丁酸为主,占VFAs总量的
80.1%,为典型的丁酸型发酵。高通量测序结果表明,在初始pH6.0条件下,
Proteiniclasticum、Candidatus_Microthri、Clostri-dium_sensu_stricto_1、Romboutsia为
主要细菌属。
为进一步提高剩余污泥和园林凋落物共发酵的氢气产率,本研究探讨了零价铁
I
(ZVI)和活性炭对剩余污泥与园林凋落物共发酵产氢的影响。结果表明,添加适当
剂量ZVI(2g/L-10g/L)能够显著提高剩余污泥与园林凋落物共发酵产氢效能。当
ZVI投加量为4g/L时,剩余污泥与园林凋落物共发酵产氢效能最佳,其累积产氢量
达到了114.0mL/gVS,显著高于对照系统,且在该发酵系统中,乙酸途径为主要产
氢途径。高通量测序结果表明,在ZVI投加量为4g/L系统中,
Clostridium_sensu_stricto_1为优势菌属,其相对丰度达到了18.5%。研究发现,当活
性炭投加量为800mg/L时,对剩余污泥与园林凋落物共发酵产氢有一定促进作用,
而当活性炭投加量为400mg/L或≥1200mg/L时,共发酵系统的氢气产率受到抑制。
关键词:剩余污泥;园林凋落物;共发酵;生物制氢;微生物群落结构
II
ABSTRACT
Excesssludgeisthemainby-productofmunicipalwastewatertreatmentplants,which
isrichincarbohydrates,proteinsandother