（环境科学与工程专业论文）污泥预处理提升剩余污泥与菌糠共发酵产酸效能的研究.pdf

国内图书分类号：tu992.3 学校代码：10213 国际图书分类号：628.3 密级：公开 工学硕士工学硕士学位学位论文论文 污泥预处理提升剩余污泥与菌糠共发酵产酸 效能的研究 硕 士 研究生：杜静雯 导 师：王爱杰 教授 申 请 学 位：工学硕士 学 科：环境科学与工程 所 在 单 位：市政环境工程学院 答 辩 日 期：2012 年 7 月 授予学位单位：哈尔滨工业大学 classified index: tu992.3 u.d.c: 628.3 dissertation for the master degree in engineering improvement of acidification performance during anaerobic co-fermentation of waste activated sludge and spent mushroom substrates under pretreatments candidate： du jingwen supervisor： prof. wang aijie academic degree applied for： master of engineering speciality： environmental engineering affiliation： school of muni. with the value of naoh/tss is 0.11, the value of sms/tss is 0.82, treating at the temperature of 80.7 for 29.7 minute makes alkaline sludge pretreatment reaches estimated highest scfas yield which is 10235mgcod/l; with the value of sms/tss is 0.57, disposing sludge on ultrasonic machine for 29.7 minute under the energy density of 0.98kw/l makes ultrasonic sludge pretreatment reaches estimated higest scfas yield which is 8128mgcod/l. all actual values are extraordinarily close to estimated values in validating experiments which can prove the reliability of the model. semi-continuous flow sludge anaerobic fermentation experiments were carried out 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -iv- based on the previous research, the results showed that the co-fermentation system can remarkably improve the concentration of organic matter in the liquid phase and boost the release of nitrogen and phosphate. three sludge pretreatments all can accelerate process of sludge hydrolysis evidently, but the effects of pretreatments are different. the impact on subsequent acidification period under alkaline and hot alkaline pretreatment was stronger than ultrasonic pretreatment. the addition of sms can not only raise concentration of carbohgydrate and protein but also elevate c/n ratio, which played a very important roll in promoting scfas yield. in terms of scfas yield and economic factor, hot alkaline pretreatment was better than alkaline pretreatment, alkaline pretreatment was better than ultrasonic pretreatment, and each elevated scfas yield 71.8%、66.7%、63.2%. acetic acid and propionic acid were dominate among scfas in all three reactors, concentration of valeric acid was higher in alkaline reactor than others, concentration of butyric acid was higher in ultrasonic reactor than others. proportion of acetic acid is elevated in three reactors compared to solo sludge anaerobic fermentation. all in all, waste sludge and sms co-fermentation can evidently improve the ability of acidification and reach the goal of waste sludge disposal: reduce, reuse, recycle. keywords: waste sludge, spent mushroom substrate, anaerobic fermentation, shot chain fat acid, response surface methodology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -v- 目 录 摘 要 . i abstract . iii 第 1 章 绪 论 . 1 1.1 课题背景及研究目的和意义 . 1 1.1.1 课题背景 . 1 1.1.2 研究的目的和意义 . 2 1.2 剩余污泥处理处置技术 . 3 1.2.1 剩余污泥的处置技术 . 3 1.2.2 剩余污泥的处理技术 . 4 1.3 剩余污泥厌氧发酵产酸研究现状 . 4 1.3.1 剩余污泥厌氧发酵的代谢机理 . 4 1.3.2 影响污泥厌氧消化的因素 . 5 1.3.3 剩余污泥发酵产酸微生物学研究进展 . 7 1.4 剩余污泥预处理技术研究进展 . 8 1.4.1 剩余污泥碱预处理技术的研究进展 . 10 1.4.2 剩余污泥热碱预处理技术的研究进展 . 10 1.4.3 剩余污泥超声预处理技术的研究进展 .11 1.5 双孢菇菌糠处理与处置现状 . 13 1.6 污泥与外加碳源联合发酵产酸的研究进展 . 14 1.7 均匀设计与响应曲面法的研究进展 . 14 1.7.1 均匀设计方法介绍 . 14 1.7.2 响应曲面法介绍 . 16 1.8 本文研究内容 . 16 第第 2 章章 试验材料与方法试验材料与方法 . 18 2.1 试验材料 . 18 2.1.1 试验用泥 . 18 2.1.2 试验用菌糠 . 18 2.2 试验装置 . 19 2.2.1 中温厌氧发酵装置 . 19 2.2.2 超声仪装置 . 20 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -vi- 2.3 试验方法与设计 . 20 2.3.1 碱预处理剩余污泥与菌糠共发酵试验设计 . 20 2.3.2 热碱预处理剩余污泥与菌糠共发酵试验设计 . 21 2.3.3 超声预处理剩余污泥与菌糠共发酵试验设计 . 25 2.3.4 半连续流试验设置 . 26 2.4 测试项目及分析方法 . 27 2.4.1 挥发酸的测定 . 27 2.4.2 溶解性有机质的测定 . 28 2.4.3 水解酶活性的测定 . 29 2.4.4 其他测试项目及方法 . 30 第 3 章 基于 ud-rsm 法优化预处理剩余污泥与菌糠共发酵产酸工艺参数 . 31 3.1 碱预处理剩余污泥与菌糠共发酵产酸工艺参数优化 . 31 3.2 热碱预处理剩余污泥与菌糠共发酵产酸工艺参数优化 . 32 3.2.1 方差分析和系数显著性检验 . 32 3.2.2 双因子交互效应分析 . 34 3.2.3 模型验证 . 37 3.3 超声预处理剩余污泥与菌糠共发酵产酸工艺参数优化 . 38 3.3.1 方差分析和系数显著性检验 . 38 3.3.2 双因子交互效应分析 . 39 3.3.3 模型验证 . 41 3.4 本章小结 . 41 第 4 章 污泥预处理对剩余污泥与菌糠共发酵产酸性能提升的影响 . 43 4.1 溶解性有机质的变化 . 43 4.1.1 溶解性总蛋白质的变化 . 43 4.1.2 溶解性总糖的变化 . 44 4.1.3 溶解性 cod 的变化 . 45 4.2. 挥发酸产量及其组成的变化 . 47 4.2.1 总挥发酸产量的变化 . 47 4.2.2 挥发酸组成的变化 . 48 4.3 氨氮和磷的释放规律 . 52 4.4 水解发酵过程中水解酶活性的变化 . 53 4.5 污泥减量化程度分析 . 55 4.6 不同共发酵体系产挥发酸经济性分析 . 57 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -vii- 4.7 产酸性能对比分析 . 58 4.8 本章小结 . 60 结论 . 61 参考文献 . 62 攻读学位期间发表的学术论文 . 69 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明 . 70 致 谢 . 71 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -1- 第第 1 章章 绪绪 论论 1.1 课题背景及研究目的和意义 1.1.1 课题背景 随着我国经济水平的提高，人民的生活水平也在逐步提高，因此导致人们对 水的需求量在日益增大。人们对水消耗量的日益增大也导致了污水处理厂的规模 增大，因此，污水处理负荷也不断增大。由于污水处理负荷增大而导致的二次沉 淀池的剩余污泥产量急剧增高更是日渐成为污水处理厂的难题。目前对于一座普 通城市污水处理厂，每天产生的污泥量占总污水体积的 0.3%到 0.5%，若要进行污 水的深度处理如进行 n、p 等三级处理，污泥量便可增长原体积的 0.11.0 倍1。 2000 年全国污泥年产量近 200 万吨，之后更是以约每年 20%的速度激增2,3。而当 处理市政污水时，污泥的处置目前则是占到了一个污水处理厂运行费用 50%以上。 一些发达国家将污泥处置置于极其重要的地位，其运行和投资费用占污水处理厂 总费用占 60%以上。在欧洲，在 1995 年至 2010 年间，厌氧消化厂的数量从 15 座 增长到 200 座， 处理量平均每年增长接近 6000000 吨 （从 200000 吨增长到 6000000 吨）4。而污水处理方法的普及、国家要求标准的提高5等所导致的处理费用的急 剧增加更加提高了剩余污泥的处理处置难度6。剩余污泥成分极为复杂，它是由污 泥中的细菌的菌胶团及其吸附的有机和无机物质构成，其中包含了难降解有机物、 病原体微生物、病毒以及对动植物有毒害作用的重金属和无机盐类等。因此，若 不能对剩余污泥进行及时有效的资源化、无害化处理，而是随意放置或者丢弃， 则会造成更严重的二次污染。因此，找到一种解决剩余污泥的处理处置的方法， 对剩余污泥进行三化处理资源化、无害化、减量化便成为当务之急7。 菌糠是食用菌产业的主要固体废弃物，它是由秸秆、木屑等原料制作而成的 食用菌培养基收货后的残渣废料，俗称食用菌栽培废料、菌渣等。菌糠是食用菌 培养基经食用菌出品之后所残留的废弃物料，其中包含相当多量的纤维素类物质 且含有较大比例的蛋白质、脂肪和菌类出菇后残余的菌丝体8。我国是食用菌生产 和消费大国，香菇、平菇、双孢菇为国内食用菌年产量最大的三个菌种9。由于双 孢菇具有较高的营养价值和药用效果，近年来也受到广大种植户的喜爱，年产量 也随之激增。据估计，每年我国生产食用菌所产生的废弃菌糠量高达 5106t6 106t，而菌糠并未被进行有效的资源化利用，其中的绝大部分被当做废弃物而抛弃 10。菌糠的大量囤积和随意抛弃堆放，不仅占用了日益珍稀的土地资源，更会对 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -2- 环境和卫生造成极大污染。因此，如何对菌糠进行合理资源化、无害化、稳定化 处理处置已经成为食用菌产业中亟待解决的技术难题11,12。 1.1.2 研究的目的和意义 （1）剩余污泥厌氧发酵资源化 城市污水处理厂所产生的污泥是处理过程中物理、化学和生物过程的副产物， 其中含有丰富的蛋白质、碳水化合物等。因此剩余污泥既是污水处理厂生产的废 弃物和污染物，同时又是极好的生物资源。污水处理厂产生的剩余污泥的最终处 置，通常包括卫生填埋、焚烧、农业用肥等途径。在中国，大部分的污水处理厂 都会将污泥进行消化，以减少其体积和有机质，再进行浓缩后填埋处理。该方式 不仅占用大量日益珍贵的土地资源来填埋垃圾，还增加其运输费用13。剩余污泥 中的有机物含量占污泥干物质的五分之三左右，其中容易被微生物分解利用的组 分占近一半。这些有机质给污泥中的微生物提供营养，在适当条件下被微生物作 为底物使用而转化为发酵产物有机酸。污泥厌氧消化在将有机物转化为有机酸和 甲烷的过程中起了重要作用，同时也减少了最终所需处置的污泥量。同时，在厌 氧过程中能够消灭大多数存在的病原体， 并限制臭气污染和腐烂污染等14。 显然， 若能够将剩余污泥通过厌氧发酵转化为用途广泛的挥发酸，不仅能够控制其对环 境的污染，解决占地的苦恼，更能创造出有价值的附加产物。如此便能够实现剩 余污泥的三化要求，变废为宝。 挥发性脂肪酸是指的包括乙酸、丙酸、丁酸、异丁酸、戊酸、异戊酸在内的 短链易挥发的酸，它们是污泥厌氧发酵过程中极其重要的中间产物。它们不仅是 污泥中单糖、氨基酸的发酵产物，也是产甲烷细菌利用的产气底物。挥发酸的利 用价值远高于甲烷和氢气15，因此，利用剩余污泥产生更有价值的附加产物挥发 酸成为目前国内外学者研究的重点16。短链挥发性脂肪酸在工业上用途广泛。乙 酸本身就是具有极高应用价值的工业原料，它可以用来合成醋酸纤维素，继而转 化为工业涂料和原料、颜料、色素、阿司匹林等。国内外均有将挥发酸作为碳源 去除水体中的氮磷以解决富营养化的问题的研究，除磷菌需要 9mg 挥发酸作为碳 源来去除 1mg 磷17，因此对挥发酸的用量要求很高。此外，短链脂肪酸在农药、 涂料等化工原料的制备上也起到不可或缺的作用18。丙酸、异丁酸和丁酸可作为 工业的生产原料通过微生物的生化反应合成生物可降解塑料等19。 因此，采用参 数优化方式使得污泥厌氧消化过程更久地停留在产挥发酸阶段来提高挥发酸产量， 以生产乙酸、丙酸等附加值高的短链挥发酸为目的是实现剩余污泥资源化的的优 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -3- 良途径。 （2）污泥预处理技术促进污泥水解 污泥厌氧发酵过程的第一步是污泥的水解。 而阻碍污泥水解的主要原因是污泥 细胞的破壁过程较为困难且缓慢。污泥都具有较坚硬的细胞壁和紧实附着的细胞 膜。在一般的污泥水解过程中，污泥细胞要自动溶解其细胞壁和细胞膜来释放内 部包裹的有机质，但该过程历时较长且效果甚微，不仅不能够较完全的释放有机 质，还导致污泥厌氧发酵过程缓慢，延长厌氧消化时间。因此，可以通过外力介 入的方式促使污泥细胞破壁过程快速进行，即采用污泥预处理技术。 （3）菌糠作为外碳源提高碳氮比并促进污泥厌氧发酵过程 污泥厌氧发酵过程中的一个重要指标是碳氮比。剩余污泥的碳氮比为 (4.705.02):1，而厌氧消化过程中微生物对 c 的摄取量远远大于对于 n 的摄取量， 因此对于碳氮比的要求为至少大于 10:120。因此，剩余污泥中的含碳量远远小于 需求量。菌糠是栽培食用菌后废弃的培养料，含有丰富的蛋白质、菌丝体、纤维 素等，是良好的有机碳源。因此，若能够将菌糠作为外加碳源投加至剩余污泥中 与其共同进行厌氧发酵，不仅能够提高该体系的碳氮比使其接近厌氧发酵所需比 例，更能将废弃物菌糠资源化，变废为宝。此外，食用菌在生长过程中能分泌出 对纤维素类物质具有水解能力的胞外酶并残留于菌糠中，因此也可能促进剩余污 泥的水解过程，从而促进污泥产挥发酸。 1.2 剩余污泥处理处置技术 1.2.1 剩余污泥的处置技术 由于剩余污泥的危害性，国际上对剩余污泥的处理处置提出了三化要求：无 害化、稳定化、资源化。处置方式主要有填埋和焚烧，发达国家也频繁采用土地 利用方式处理剩余污泥21。 填埋处理是目前唯一的最终处置途径，多采用与城市垃圾混合填埋。它具有 容量大且处置方便简单的优点。但由于我国土地资源日益减少，填埋处理占地面 积大、对土地资源的利用率低，该处置方式已经不能满足可持续发展需求 22。焚 烧作为一种可最大程度进行污泥减量的处置方式，可以解决污泥处置占用空间资 源的问题。且焚烧后的灰分量极少，能够减轻后续处理负担23。但焚烧产生的大 量有毒气体(例如二噁英等为强致癌物质)扩散到空气当中污染空气， 对人体会造成 一定程度的伤害，因此该方式亦非环保的处置方式。除去上述传统处理方式，国 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -4- 内外又发展出新型污泥处置方式，例如污泥的热处理，即将污泥在加热分解得到 有附加值的可燃气体、油等24。也有利用污泥制成建筑用砖和水泥25、生物塑料 26、活性炭27的研究。 1.2.2 剩余污泥的处理技术 目前我国的剩余污泥处理技术主要有厌氧消化、好氧消化、堆肥等28。 好氧消化是通过曝气使得污泥中的微生物细胞通过内源呼吸水解，转化为二 氧化碳和水， 使污泥进行减量。 好氧消化的优点是能够降低污泥含水率和体积29， 缺点是好氧池占地面积大，人工费和运行费用较高等。 污泥厌氧消化是利用厌氧微生物分解污泥中的絮体有机质、使其趋于稳定的 一种较成熟的污泥处理方式。它具有降解有机物效果良好、减容性好的优点，该 方式能够对污泥在最大程度上起到减量化、稳定化和无害化的作用。缺点是停留 时间长、反应速度慢，基建费用高等。 堆肥技术是剩余污泥的一种农业利用方式。它在适宜的条件下能够通过微生 物的作用氧化分解有机物，使其转化为有机酸、腐植酸等肥料。该方法的优点是 能够对剩余污泥进行资源化利用，变废为宝。缺点是反应时间长，占用宝贵土地 资源等。 1.3 剩余污泥厌氧发酵产酸研究现状 目前国内外对利用剩余污泥进行厌氧发酵的研究较为普遍30。其主要研究内 容集中在影响污泥厌氧发酵产酸的工艺参数（ph、温度等） 、挥发酸产量、甲烷产 量以及对发酵产酸微生物的研究上。 1.3.1 剩余污泥厌氧发酵的代谢机理 污泥的厌氧消化理论在多年前就有学者将其复杂的过程归纳为两个阶段：第 一阶段是有机物由产酸菌降解为有机酸和小分子物质并合成自身细胞的发酵产酸 阶段，第二阶段为有机酸作为专性厌氧的甲烷菌的底物被其转化成甲烷的甲烷发 酵阶段。事实上，两阶段是共同存在的，并非完全隔离。一阶段的产物除了有机 酸亦有其他物质 （例如也会产生少量气体， 二氧化碳等） ， 二阶段也不仅仅产甲烷。 因此， 两阶段可被更科学的分为不产甲烷阶段和产甲烷阶段31。 伯力特等人在 1979 年根据不同生理特性的微生物种群而提出了如今最广为人知的厌氧发酵三段理论。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -5- （1）水解阶段 复杂有机质如大分子的碳水化合物、蛋白质、脂类等在水解菌和发酵菌的作用 下生成成小分子有机物五碳糖六碳糖、氨基酸、有机酸、甘油等。 （2）产酸阶段 水解阶段产生的产物经产氢产乙酸菌转化成氢气、二氧化碳和乙酸。如戊酸 的转化： ch3ch2ch2ch2cooh+2h2och3ch2cooh+ch3cooh+2h2 (1-3-1) 丙酸的转化: ch3ch2cooh+2h2och3cooh+3h2+co2 (1-3-2) 乙醇的转化 ch3ch2oh+h2och3cooh+2h2 (1-3-3) （3）产甲烷阶段 产酸阶段的乙酸作为底物被一类产甲烷菌脱羧为甲烷，而氢气和二氧化碳在 生理功能不同的另一类产甲烷菌作用下合成甲烷： 2ch3cooh2ch4+2co2 (1-3-4) 4h2+co2ch4+2h2o (1-3-5) 1.3.2 影响污泥厌氧消化的因素 （1）温度 温度是影响污泥厌氧消化的主要因素之一，温度适宜时，微生物活力较高， 有机物分解彻底。 温度的调控能够改变污泥厌氧发酵产酸效率， 这是由于酶活性、 生化反应速率、微生物种群的生长状况等因素都受到温度高低的影响32。按污泥 消化所利用的厌氧菌最适宜的温度，可分为中温消化（352）和高温消化（55 2） 。 前人研究表明，升温处理污泥能够提高体系中溶解性有机物的含量。例如， barlindhaug 等人发现， 污泥在高温下 （160） 溶解性 cod 的产量增加了 32%33。 黄达然等人发现，污泥中的悬浮性总固体和挥发性悬浮总固体的减量效果随着温 度上升有明显增强34。但高温运行厌氧发酵具有耗能大、运行复杂、过程稳定性 差、对设备要求高等缺点，并且在高温条件下挥发酸的产量由于产酸菌的数量明 显减少而下降。 因此， 中温发酵是目前被最广泛应用的污泥厌氧发酵方式。 emine35 等人还发现，温度能够引起挥发酸组分的变化。 （2）ph 值 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -6- 污泥里的碳水化合物、脂肪和蛋白质需要经历酸性和碱性两个厌氧发酵过程。 酸性发酵即产酸阶段， 由于有机酸的产生使 ph 降低， 产酸菌最适宜的 ph 为 5.8。 碱性发酵即产甲烷阶段，由于有机酸的消耗使 ph 回升，最适宜产甲烷菌的 ph 为 7.8。产甲烷菌对 ph 变化极度敏感。因此，降低反应体系的 ph 值，能有效抑制产 甲烷阶段从而促进挥发酸的积累36。elefsiniotis 等人发现，初沉污泥厌氧发酵在 ph 大于 7.0 时对挥发酸的产生有明显抑制作用，其最佳 ph 为 5.56.5，其余 ph 下体系的水解酸化速率都减小37。近几年来，越来越多的研究者证明在碱性条件 下， 污泥的厌氧水解过程更易于进行， 且短链挥发酸积累量更高。 例如， wu 等38,39 利用初沉污泥在室温下发酵产酸，发现随着 ph 由 3.0 增加到 10.0，平均 scfas 浓度从 968 mg cod/l 增加到 3511mg cod/l，而 ph 再增加 11.0 时，scfas 浓度 反而减少，ph 为 10.0 时，乙酸，丙酸和异戊酸是主要产物，后续试验进一步发现 污泥在碱性 ph 条件下 scfas 积累量高是由于初沉污泥水解环节被强化，而产甲 烷受到了抑制。 zhang 等40利用剩余污泥进行水解产酸也获得了相似的结果： 研究 发现无论在中温（35）还是高温（55）条件下，与酸性 ph 或者不控制 ph 相 比，采用碱性 ph（8.0-10.0）均可获得更高的 scfas 积累量。 （3）有机物含量 在厌氧发酵温度和有机物负荷一定的情况下，有机物分解率受污泥中有机物 含量的影响31，研究表明污泥的产酸量随污泥有机物浓度的增大而升高。 （4）碳氮比 污泥是厌氧细菌繁殖所需营养物质的来源。厌氧发酵体系中的碳不仅给微生 物提供生化反应所需能量，还是合成微生物细胞的原材料。研究表明，厌氧细菌 更倾向于在体系内有机物质的 c/n 为 142 时表现出最大活性，且产酸量和产甲 烷量均为最高。麦卡蒂等提出污泥原生质的分子式是 c5h7no3，即合成细胞的碳 氮比约为 5:1。除去合成细胞所需要的碳源，微生物进行生化反应也需要碳源的支 持，因此碳氮比在（1020） ：1 范围内对厌氧发酵而言效果良好。碳氮比过高即氮 量不足，从而导致微生物代谢紊乱，不利于代谢产物积累；碳氮比过低不仅会导 致氨氮积累抑制厌氧发酵过程，而当严重过低时会导致细胞提早进入内源呼吸期 自溶从而破坏发酵体系。 剩余污泥即从沉淀池排出的活性污泥。由于该污泥在好氧池中已经被活性污 泥进行过分解，因此其中的碳源与初沉污泥相比已远远减少，碳氮比更是降低至 合成细胞所需的 5:1，该数值与厌氧发酵所需的 15:1 相比相差甚远。如此可知剩余 污泥单独进行厌氧消化是收效甚微的。但是，通过投加外碳源，便能够使得污泥 中含碳量大大提升，从而促进污泥的产酸发酵过程。黄达然34利用碳水化合物作 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -7- 为外加碳源，与剩余污泥联合发酵，发现其厌氧发酵产生的 scfas、乙酸和丙酸 浓度均高于单独利用剩余污泥厌氧发酵的情况，且碳水化合物的投加还有利于剩 余污泥自身的水解。 （5）氧化还原电位 氧化还原电位 （orp） 表征的是污泥发酵产酸体系所存在物质的氧化还原性， 该值会影响污泥中微生物的生长状况41。污泥发酵液由于厌氧状态使其氧气浓度 几乎为 0，因此其 orp 为负值。研究表明，水解菌能够在-100+100mv 的条件下 生长，对 orp 要求不甚严格。而产甲烷菌由于对厌氧条件要求严格，因此产甲烷 菌只能够在低于-350mv 或者更低的 orp 下生存42。 （6）污泥停留时间 污泥停留时间（srt）指的是污泥在反应器内的平均停留时间。由于产甲烷细 菌的繁殖较为缓慢，且产生于发酵后期，因此需要较长的污泥停留时间。因此， 污泥的厌氧发酵处于产酸阶段还是产甲烷阶段可以由 srt 进行调控。yuan43等研 究表明：较长的 srt 有利于 scfas 总量的增加，并且 srt 影响挥发酸的组分， 较长的 srt 会降低乙酸比例， 而增加长链 vfa 的组分。 黄达然44等的研究表明， srt 在一定范围内的延长不仅能够提高 scfas 的产量还能影响乙酸和丙酸所占 比例。 （7）有毒物质 污泥中含有毒物质时，根据其种类与浓度的不同，会给污泥消化、堆肥等各 种处理过程带来影响。例如，流入处理厂污水中的合成洗涤剂约有 10%与污泥一 起进入消化池，这不仅会产生泡沫，还会妨碍污泥的生物消化作用。有毒物质还 会通过抑制产甲烷菌活性来抑制甲烷的形成， 从而导致挥发性酸的积累和 ph 的下 降，严重时会使得消化池无法正常操作。 1.3.3 剩余污泥发酵产酸微生物学研究进展 1.3.3.1 水解发酵菌 参与水解发酵的微生物包括细菌、原生动物和真菌，其中包括大部分的专性 厌氧菌和少部分的兼性厌氧菌 45。根据各类微生物代谢功能分为以下四类菌种， 如表 1-1 所示。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -8- 表 1-1 参与水解发酵的细菌分类 细菌分类 功能 纤维素分解菌 对纤维素的进行分解使其转化为乙酸、乙醇、二氧化碳、水等 小分子 碳水化合物分解菌 将碳水化合物水解成葡萄糖、丙酮、乙醇、乙酸和氢等。以内 生孢子的杆状菌占优势 蛋白质分解菌 将蛋白质降解为多肽在转化为氨基酸，继而转变为硫醇、氨和 硫化氢；以梭菌占优势；含氮物质如嘌呤、嘧啶等非蛋白质类 物质也可被分解 脂肪分解菌 将脂肪分解为简单的有机酸（短链挥发酸为主） ；弧菌占优势 1.3.3.2 产氢产乙酸菌及同型产乙酸菌 厌氧消化第二阶段为有机物质转化为乙酸阶段。丙酮酸等小分子脂肪酸类能 够在产氢产乙酸菌的作用下转变为乙酸、co2和 h2；而 co2和 h2则能够在另一类 乙酸菌同型产乙酸菌的作用下合成乙酸，也能将甲酸甲醇等小分子有机酸转 化为乙酸32。显然，同型产乙酸菌的存在加速了乙酸的生成，而乙酸又是产甲烷 菌生成甲烷的主要底物，因此该类细菌也促进了产甲烷过程。 目前，有学者采用产氢产乙酸/同型产乙酸联合工艺定向产乙酸，他们将第一 阶段产生的二氧化碳和氢气作为原料，导入到其他的同型产乙酸段，该方式不仅 减少氢气和二氧化碳由于积累作用对乙酸转化阶段的抑制，而且可以提高乙酸产 量和效率。该工艺在污水污泥厌氧消化定向产乙酸方面具有指导意义46。 1.3.3.3 产甲烷菌 参与厌氧消化第三阶段代谢的严格厌氧菌种为产甲烷菌，它能够将二氧化碳 和氢气转化为甲烷。目前的报道已确认产甲烷菌分属于 3 目、4 科、7 属共有 14 种 19 个菌株。 1.4 剩余污泥预处理技术研究进展 剩余污泥厌氧发酵的第一个步骤是水解，该过程的进行由于难降解物质的存 在通常较为缓慢， 是有机物降解的限速环节。 剩余污泥细胞内部包含大量有机物， 但污泥细胞的细胞壁较稳定的刚性结构对细胞内部起到了很好的防护作用，因此 污泥细胞壁的破解便成为影响剩余污泥水解的重要因素，也同时导致水解过程成 为剩余污泥厌氧发酵的限速步骤。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -9- 对剩余污泥进行预处理的目的是强化水解，即为了打碎剩余污泥中微生物的 细胞壁和包围在细胞壁外的菌胶团絮体，使得污泥发酵液的可生化性和有机物浓 度由于细胞内部丰富有机物质的释放而得到提升，从而在各种胞外酶的作用下进 行水解而达到提高污泥厌氧消化效率的目的。目前剩余污泥的预处理技术按预处 理原理主要分为物理、化学和生物三类，如表 1-2 所示。 表 1-2 剩余污泥预处理技术分类 分类 作用原理 技术 物理法 利用机械外力的作用将细胞壁破碎， 使其可溶 机械预处理、超声波、冷冻、微 波、热处理等 化学法 投加化学试剂，利用其强氧化性破坏 污泥细胞结构，使细胞壁通透性增 大，使细胞裂解从而释放有机质 氯氧化法、臭氧氧化、过氧化氢 氧化、酸碱处理、湿式氧化、表 面活性剂法 生物法 利用水解酶对污泥细胞进行溶胞以 及分解有机质 投加酶制剂、 投加能够分泌胞外 水解酶的细菌 从可操作性、经济性、环境效益等方面进行考虑，超声波预处理、酶制剂法、 酸碱预处理、 加热预处理等方式都具有广阔发展前景。 s.d.razum 等人在进行了各 种污泥预处理方式对比后， 发现酸碱预处理和投加胞外酶方法效果较好47。 yang48 研究了加入含有 淀粉酶和中性蛋白酶的商业酶试剂后污泥的水解效果，结果显 示淀粉酶具有更高的水解效能，当酶投加量均为 6%时，加入蛋白酶的试验组污泥 vss 减小 39.7%而加入淀粉酶的试验组减少了 54.24%。yan 等人49采用了超声破 碎与碱性条件相结合的方法对剩余污泥进行了产酸发酵研究，结果表明：在污泥 的厌氧发酵过程中超声破碎加速了有机颗粒的水解速率，而强碱性条件抑制了产 甲烷作用，从而促进了 scfas 的积累。chen50等人利用表面活性剂（sdbs、sds 等） 做了一系