污泥流变对厌氧消化过程微生物和产气的影响

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论文字数:43222 论文编号:sb2021110510584139484 日期:2021-11-23 来源:硕博论文网
本文是一篇土木工程论文,本研究旨在探究不同流变污泥对厌氧消化反应器产气、污泥脱水性能和微生物的影响,揭示厌氧消化过程中污泥流变的变化规律,进而探究污泥流变特性参数作为监测、调控和表征厌氧消化反应器的性能特殊性指标的可行性。

第 1 章  绪论

1.1  课题研究背景及意义
随着世界人口的逐渐增加,如何满足人们日益增长的能源需求、减少环境污染、构建蓝色经济成为全世界人民不得不面对的难题[1,  2]。据统计研究表明,污泥的处理处置费用在 2019 年即将达到 60 亿元,2020 年中国污泥产生量将达到6000 万吨(以 80%含水率计算)[3]。21 世纪废水处理厂产生大量污泥已经使污水污泥的合理处理和处置成为关键环境问题之一[4]。为减缓全球气候的变化,人们对化石燃料的需求逐渐减少,可再生能源(包括:风能,生物质能和太阳能等)在未来变的更加重要,其中生物质能已作为产生可持续能源的主流技术之一[1, 5]。这些生物之质能转化技术包括:厌氧消化和堆肥等技术[1]。同时我国政府倡导,二氧化碳排放力争于在 2030 年前达到顶峰,努力争取在 2060 年前实现碳中和。剩余污泥厌氧消化不仅能实现污泥减量化,更重要的是可以使蕴藏在污泥之中能量以甲烷(CH4)形式被发掘出来,可用于反哺污水处理能量消耗,减少使用(甚至完全不用)外部能量,最终实现碳中和[6]。因此如何降低厌氧消化反应器能耗、提高反应器内部产气效率和提高后续污泥脱水性能成为研究人员关注的热点。
流变学是研究材料在外加力作用下的流动和变形[7],Merkel[8]是第一个研究污水污泥流变行为。污泥处理过程中理想高效设计和运行需要准确预测不同设备(如泵、换热器和混合系统等)的流体动力学功能,而预测这些工程水动力学过程的正确流动行为需要对污泥的流变学有准确认识。相关研究报道污泥流变性是设计、选择和运行管道、泵、混合装置、热交换器等厌氧消化设备时最重要的参数之一[9-14]。为减少污泥在后续资源化处理过程中转运的成本,在中国,含水率超过 80%的污泥需要进行脱水处理后方能转运[14]。污泥脱水是污水厂转运过程中的一个昂贵单元,与脱水相关的费用,包括调理药剂的成本,通常占整个污水厂年运营费用的 30%-50%[15]。统计表明,厌氧消化和污泥脱水操作费用约占废水处理厂总运营成本的 70%,因此研究厌氧消化反应器内部污泥流变性能和提高对悬浮结构(流变性)与反应器内部产气和脱水性之间关系的理解显得非常重要[7,16]。
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1.2  污泥流变模型与参数
理想流体(例如:水)展现出线性的流变行为称之为牛顿流体,非牛顿流体展现出非线性行为[11]。非牛顿流体的特征是假塑性流体,黏塑性流体,膨胀性流体和触变性流体。流变模型用于确定流变参数,例如极限黏度、触变性,剪切应力,屈服应力,流动指数,和流动稠度指数等,这些参数描述了流体的一般流动行为。污泥是典型的非牛顿流体[7]。
1.2.1  污泥流变模型
根据文献统计表明,表 1-1 中统计了 8 种描述污泥流变性能常用的模型,并显示了相关污泥的来源,不同来源污泥在流变行为方面表现出不同的特征。同时,相同来源的污泥在不同含水率水平下也表现出不同特性,需要适合的模型来描述污泥流变行为[11, 17]。
从 Bingham 模型、Casson 模型、Herschel-Bulkley model (H-B)模型和 Modified Herschel-Bulklely  model  (MH-B)模型的表达式可知,当外部施加的剪切应力小于等于屈服应力时,污泥系统表现为固体。当时,当外部施加的剪切应力大于屈服应力时,污泥表现出流体的特性。H-B 模型描述了非牛顿流体的行为与剪切薄区之间的一类关系。在 H-B 模型中,当流动指数 n=1 时,则公式中的稠度指数 K 所表达的意思就是污泥的黏度 η;在 MH-B 模型中,当流动指数 n=1 时,则公式中的 K+η∞多表达的意思为污泥黏度 η。Power-law  (P-L)模型描述的是一种没有屈服应力的剪切稀化流体,P-L 模型的缺点是无法拟合显示零剪切黏度(η0)和无限剪切黏度流体(η∞)[18]。Cross 模型弥补了 P-L 模型的缺陷,该模型的表达式覆盖了所有剪切范围[19]。Sisko 模型仅仅能表征剪切稀化的流体在中高剪切速率范围内的污泥流变行为,此时表观黏度趋于极限值(平稳)[20]。Cross模型和 Carreau 模型被广泛的用来描述剪切稀化的流体行为。Cao[17]等通过对不同含水率下污泥进行流变试验后,通过显著性水平分析表 1 中前七种常用模型,结果表明,在两参数模型中,在两参数模型中,P-L 模型的显著性水平较高;三参数模型中,Sisko 模型优于 H-B 模型,四参数模型中,Carreau 模型优于 Crosson模型。 
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第 2 章  材料与方法

2.1  试验材料
2.1.1  污泥样品
试验所需污泥均取自北京市某污水处理厂,二沉池污泥取自该厂 A2O 工艺后面的二沉池;脱水污泥取自该厂的脱水厂房,脱水工艺为板框脱水;消化污泥(接种污泥)取自该厂的厌氧消化反应罐,污泥处理工艺为热水解-厌氧消化工艺。试验开始前将取来的脱水污泥和二沉池污泥进行调配,调配获得后续试验底物(称之为“调配污泥”),为防止污泥变质,将取来的厌氧消化污泥和调配后调配污泥均放置在 4℃冰箱中储存。调配污泥(底物)由污水厂二沉池污泥和脱水污泥调成而成,接种(消化)污泥取值水厂中厌氧消化反应器中,其基本性质如表 2-1 所示。
表 2-1:消化污泥和调配污泥基本性质
表 2-1:消化污泥和调配污泥基本性质 
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2.2  试验分析方法
2.2.1  运行指标测定方法
使用 pH 计测定污泥的 pH 值。污泥的 TS、VS 采用重量法测定。溶解性有机物(SCOD)测定采用重铬酸钾滴定法,将离心后污泥上清液经过 0.45μm 的滤膜后,所得滤液放入消解管进行 150℃消解,时间持续 2h,利用自动电位滴定仪滴定污泥 SCOD 含量。氨氮含量采用纳氏试剂测定。采用考马斯亮蓝法和硫酸-苯酚法测定污泥样品的溶解性蛋白质(SPr)和溶解性多糖(SPs)。采用比色法测定污泥中 VFA 含量。采用激光粒度仪(S3500,美国麦奇克仪器有限公司)测定污泥厌氧消化前后污泥粒径变化。采用酸碱滴定法测定污泥碱度(ALK)。
污泥的总氨氮(TAN)主要由自由氨(FAN)和铵根离子(NH4+)组成,研究表明,污泥 FAN 对厌氧消化反应器中的微生物具有毒性和抑制性,其浓度的大小与污泥温度和 pH 有相关关系,可以通过式(2-1)计算获得[3, 69, 70]:
2.2.2  脱水性能测定方法
污泥不同的处理处置方式对其含水率有不同要求,为保证污泥后续处理处置的效果,需要对污泥进行脱水处理,脱水作为污泥处理中的关键环节,是污泥处理中最困难、成本最高的工艺之一。污泥离心脱水的方法被用来评价污泥脱水性能,由于具有操作方便,可靠性的可滤性测量被广泛接受和逐渐应用[71-74]。
本试验过程中,首先去 15mL 污泥样品对其进行离心,离心过程使用10000rpm 的离心机离心 20min。离心后将所得离心脱水泥饼放入干燥后的坩埚中,将坩埚和脱水泥饼在 105℃条的烘箱内干燥风干 24h 后,将坩埚放入干燥器中冷却至室温,测量污泥脱水泥饼的含固率(TSt),本试验采用 TSt/TS0作为评价污泥脱水性能的指标。TSt/TS0的值大于 1,说明厌氧消化后污泥脱水性能变好;TSt/TS0的值越大,表明污泥脱水性能越优。 
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第 3 章  不同黏度污泥厌氧消化产甲烷能力分析 ................................ 16
3.1  试验概述................................ 16
3.2  厌氧消化常规理化指标.............................. 17
第 4 章  不同黏度污泥厌氧消化流变性能分析 ............................... 29
4.1  厌氧消化过程中污泥流变变化分析....................................... 29
4.1.1  污泥流变曲线分析................................ 29
4.1.2  污泥触变性分析................................... 32
第 5 章不同黏度污泥厌氧消化微生物群落分析 .................................. 41
5.1  微生物多样性分析................................................. 41
5.1.1  古菌多样性指数分析..................................... 41
5.1.2  细菌多样性指数分析.......................................... 42

第 5 章不同黏度污泥厌氧消化微生物群落分析

5.1  微生物多样性分析
5.1.1  古菌多样性指数分析
分析结果采用 Alpha 多样性来反映 5 组试验古菌微生物群落的丰度和多样性,分析结果如表 5-1 所示。
表 5-1  古菌 Alpha 多样性指数
表 5-1  古菌 Alpha 多样性指数
由表 5-1 可知,试验中 5 组样品的 Coverage 指数均为 1,Coverage 指数表示样品的覆盖率,表示本试验样品检测几乎覆盖样品中的全部古菌。Chao 指数和Ace 指数与群落丰度呈正相关关系,Chao 指数和 Ace 指数越大,表明群落丰度越好。由表 5-1 可知,5 组样品 Chao 指数排序依次为:SM-2>SM-3>CK>SM-1>SM-4;且 SM-2 组的 Chao 指数远高于其他 4 组;Ace 指数排序依次为:SM-3>CK>SM-2>SM-1>SM-4;,可以看出 SM-1、SM-2 和 SM-3 组的 Ace 指数相差不大,大于 CK 组和 SM-4 组,表明 SM-1、SM-2 和 SM-3 反应器内部微生物的群落丰度高于 CK 组和 SM-4 组,表明反应器内部过高或过低的剪切速率均不利于微生物的种群丰度。
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第 6 章  结论与建议

6.1  主要结论
本研究旨在探究不同流变污泥对厌氧消化反应器产气、污泥脱水性能和微生物的影响,揭示厌氧消化过程中污泥流变的变化规律,进而探究污泥流变特性参数作为监测、调控和表征厌氧消化反应器的性能特殊性指标的可行性。本试验获得的具体结论如下:
(1)本试验在进行厌氧消化过程中常规指标(pH、FAN、VFAs 等)变化均在合适范围内部,反应器运行正常。试验确定聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)投加量为 30  g/kg 底物时(即 SM-2 组),污泥在搅拌转速为 180rmp 时黏度达到0.036Pas 时,出现最佳产气量,达到 225.24 mL/gVS。厌氧消化后,污泥黏度变化与污泥粒径变化呈现正相关关系,SM-2 组在进行厌氧消化后,污泥脱水性能达到最佳,较 CK 组高 16.7%,表明污泥流变合适的变化有助于增强污泥脱水性能。通过 Gompertz 模型拟合本试验污泥反应器累积产气量发现,SM-2 组达到最大产甲烷势能和最大产甲烷速率,分别高于 CK 组 3.72%和 27.34%,表明合适的污泥流变影响反应器产气性能。工程实际中可通过改变搅拌器的形状、转速使得反应器内部污泥流变处在合适的状态,进而来提高反应器内部物料的均质化,提高产气量和脱水性能。
4(2)H-B 模型对于 5 组反应器厌氧消化过程中流动曲线拟合度均在 0.97 以上,拟合度较好。厌氧消化过程中屈服应力呈对数下降趋势,触变性在厌氧消化进行第 3d 增加,第 5d 消失,表明随着污泥厌氧消化的进行,污泥流动性逐渐增强。厌氧消化后 5 组试验污泥屈服应力和脱水性能变现出良好的线性关系,拟合优度在 0.95 以上。5 组试验中,污泥稠度系数和总产气量表现出良好的线性关系,拟合优度均在 0.96 以上。污泥稠度系数可作为表征在厌氧消化过程中产气量的表征指标。皮尔逊相关性分析结果表明,污泥屈服应力与脱水性能(R2=0.988,P<0.01)两者间具有较强的相关性,污泥可以作为表征污泥脱水性能的特征性指标。采用主成分分析法分析污泥脱水性能和污泥总产量的主导因素,结果表明,污泥屈服应力和稠度系数是污泥脱水性能和污泥总产气量的主导因素,污泥流动指数为污泥脱水性能和总产气量的限制因素。实际工程中可考虑改变搅拌桨的浆叶形状和运行速度、频率等来改变污泥流变特性,进而提高污泥厌氧消化产气和污泥脱水性能。
参考文献(略)