（环境工程专业论文）城市污泥厌氧发酵产酸条件优化及其机理研究.pdf

摘要 摘要 城市污泥产生总量随着国民经济持续快速发展迅速地增加，因此发展经济有 效的污泥处理处置技术迫在眉睫。由于污泥中含有较高的有机质，将这些廉价的 有机质转化生产高附加值生物化学品，特别是挥发性脂肪酸不失为污泥资源化的 一条新途径。这条新途径不仅可使污泥获得减量化、无害化处理，而且也使得污 泥中的有机成分能够得到更好利用。 本论文在确立合适底物污泥及最佳预处理技术的基础上，对厌氧发酵产酸的 p h 和底物初始c n 控制策略开展了研究，通过结合末端限制性片断长度多样性分 子技术和荧光原位杂交技术对发酵产酸过程中的微生物种群结构和促使乙酸累积 的微生物学机理进行了解析，并在检测形成挥发性脂肪酸的代谢途径中的关键酶 的活性基础上，进一步探讨了促使不同单酸累积的主要代谢途径。主要的研究结 果如下： ( 1 ) 直接利用污泥厌氧发酵产酸，发酵结束时蛋白质、碳水化合物和挥发性有机 质三者的含量均超过6 7 。有机质转化率较低，导致挥发性短链脂肪酸的产率难 以提高。 ( 2 ) 通过考察热碱、超声波碱、热酸和超声波酸预处理技术对污泥融胞效果的 影响，发现两种碱处理方法能够显著改善高固体浓度的污泥有机质融出效率。污 泥中有机质和蛋白类物质融出率分别达到6 0 2 6 1 6 和6 6 8 6 7 5 。此外， 在热碱和超声波碱预处理后，液相中s t o c 和s t n 浓度相对于未处理样增加倍 数分别为7 6 2 和4 9 7 。两种碱处理技术不仅分解污泥最外层的絮状结构，而且能 够破坏微生物的细胞结构，促使污泥颗粒粒径急剧变小，粒径小于1 7 岬的污泥 颗粒占总数5 0 以上。然而在超声波一酸和热一酸作用下，仅有部分的污泥絮状结 构分解，污泥的颗粒粒径变化并不明显。 ( 3 ) 研究了污泥预处理后对厌氧发酵产酸效率的影响。热诫和超声波碱预处理 后的污泥厌氧发酵生成的总酸分别比未预处理污泥提高5 9 1 和6 8 2 ，均显著高 于两种酸预处理技术。可溶性蛋白质为两种碱处理污泥中v f a s 产生的主要来源。 此外，分析固相中有机质的含量在发酵过程中的变化，发现超声波碱和热碱预处 理阶段未融出的有机质在随后的厌氧发酵过程并未进一步水解酸化。不同于两种 碱处理技术，热酸和超声波酸预处理后污泥的脂肪酸产率却低于未处理污泥。综 合考虑预处理成本和产酸效率，确定热碱为最佳的预处理技术。 摘要 ( 4 ) 研究了p h 对污泥预处理液中可溶性的蛋白质的沉降影响。结果发现，当p h 值从1 2 o 调节到3 0 时，可溶性蛋白质的浓度在碱性条件下减小比较缓慢，在酸 性条件下则转为迅速。此外，在p h 值调节过程中沉降下来的大部分蛋白质在厌氧 发酵产酸过程中并未被转化形成v f a s 。 ( 5 ) 当调控厌氧发酵过程p h 在3 o 1 2 0 时，促使液相v f a s 分布特征发生变化 的原因是由于p h 的调控改变了厌氧微生物的种群结构。厌氧发酵过程p h 条件不 同，优势菌群也不相同。在p h 值为1 2 o 时，优势菌为颗粒链菌属( 西口疗“，f c 口饱砌) ； p h 为1 0 0 时则演变为消化链球菌属( 凡p d j 抛p 幻c d c c 搬) ；当发酵过程p h 降为 7 0 和5 o 时，梭菌属( c ? d s 伊翮“所) 却成为优势产酸菌；而p h 值为3 0 时优势菌 则为芽孢杆菌属( b 口c f 刀螂) 。 ( 6 ) 控制厌氧发酵产酸过程p h 为1 0 0 时，通过f i s h 技术检测发现产氢产乙酸 菌的数量及其微少，相对丰度仅为总细菌的o 0 1 。乙酸的累积主要是消化链球菌 属通过氨基酸之间的s t i c h a l l d 反应形成的。p h 为1 0 0 的条件不仅能够抑制产甲 烷菌的活性，而且能够抑制硫酸盐还原菌的生长。同其它p h 值条件下厌氧发酵产 酸相比，控制厌氧发酵过程在p h 值为1 0 o ，可以显著改善污泥预处理的产酸效率， 并维持稳定的酸产量。 ( 7 ) 调控发酵底物的初始c n 可实现不同发酵产酸类型。初始c n 在1 2 4 4 时， 形成的是乙酸型发酵类型：当初始c n 在5 6 6 9 范围内时，可实现丙酸型发酵类 型；而当c n 处于1 5 6 2 5 6 时，则形成丁酸型发酵。不同发酵产酸类型的形成是 由优势产酸菌群的改变导致的。c n 值在1 2 6 9 范围内，h 2 和c 0 2 的增长都较为 缓慢，但当c n 值提高到1 5 6 2 5 6 时，二者的产率迅速提高。初始c n 值影响 v f a s 累积的主要代谢途径。在低c n 值条件下，乙酸的累积主要是通过氨基酸之 间的s t i c k l a n d 反应形成，而随着c n 值的增大，导致丙酸和丁酸累积的主要代谢 途径转变为糖酵解的丙酮酸途径。 关键词：城市污泥，挥发性短链脂肪酸，预处理，蛋白质，p h 调控，c n 策略，微 生物学机理，代谢途径 a b s t r a c t i i lr e c e my e a r s ，m ea i n o m to fe x c e s ss l u d g e w a s t e w a t e rp l a n t si n c r e a s e dv c 巧r a p i d l y 谢t 1 1 p r o d u c e d 丘o mm 嘶c i p a l 觚dm 删2 l l t h es u s t 血a b l ea 1 1 df 如td e v e l o p m e mo f e c o n 凼n v 恤c k n a t h et r e a ：乜n e n ta n dd i s p o s a lo fs l u i i g eh a v eb e c o m eo n eo f 。t 1 1 em o s t i m p o 比u l ta r l dc o m p l e xp r o b l e m s i nf a c t ，血em a i l lp a r to fs l u d g ei so 玛a m cb i o m a s s ， a n di tc a i lb e c o m eas o u r c ef o rv 2 l l u a b l eb i o c h e i n i c a l ss u c h 嬲v 0 1 a t i l ef 狮a c i d s f a s ) t l l eb i o p r o c e s ss t r a t e g y 也a tr e s u bi n 也ep r o d u c t i o no fv f a sn o to n l ya c m e v e s 也c o b j e c t i v eo fc o m r o l l i n gp o l l u t i o na n dr e d u c i i l gs l u d g ev 0 1 唧e sb u ta l s oe m c i e m l y e x p l o r e st h er e s o u r c eo fo r g a n j cs u b s t a n c ei i ls l u d g e i ti sl m o 砌m a tv 0 1 a t i l ef 狮a c i d sa r ei r n p o 衄1 t e d i a t cc o m p o u n d si n 也c m e 劬o l i cp a m w a yo fa 工l a c r o b i cd i g e s t i o n i n “sd i s s e 删i o n ，u s 堍e x c e s ss l u d g s 打o m t 1 1 r e ed i 脑e n ts o u r c e s ，恤t e s t sw e r ef i r s t l yp e 疵n n e dt 0 锄l l y z em cr e l a t i o n s 脚 b e 柳e e nv f a sa n dc o n s 啪e do r g ；血cm a t t e r ，a n dt oi 1 1 v e s t i g a t e 廿1 ee 彘c t so fi n j 陆a l c a r b o n - 血o g e n r a t i o ( c o n 也ea c i d i 丘c a t i o ne 伍c i e n c y o fs l u d g e s a n d 也e n ， h y d r 0 1 y s i s a 1 1 da c i d o g e n e s i so fs l u d g ep r e - 仃e a t e d 似ld i 彘r e n tt e c h 工l i q u e s 、a s a i l a l l ，z e d b a s e do n 也er e s u l t so f 也es t u d yo n 也o s ep r e 仃e a t n l e n tt e c l l i 虹q u e s ，c o n 仃0 l s t r a t e g i e so f p h 纽d 砒i a l c nw e r em e s t i g a t e d 血o r d e rt oa c l l i e v e 位m a x l m m a n d s t a b l ep r o d u c t i o no ft o t a lv 】认so rd i 彘r e n tt y p e so fa 1 1 a e r o b l ca c l d o g e n e s l s ln e m i c r o b i a lc o m m u n i 够s 乜m c t u r ea 1 1 dm ed o m 证a n tr n i c r o b i a lp o p u l a t i o nw 2 l sd i s c o v e r e d 恤0 u 出也e 纽由s i so ft 眈血试r e 姒砸o nf r a 蛐e n tl e n 酣p o 驷1 0 印m s m ( t - r f l p ) c o m b 劬l gt 1 1 em e a n so f 丑u o r e s c e n c ei ns i t uh y b r i d i z a t i o na n a l y s i sw i 也t 1 1 ea n a l y s i so f t _ r f l p t h er e 嬲o nf o ra c c 吼u l a t i l l ga c e t i ca c i dw a sf m t l l e re x p l o r e d f 删1 e m l o r e ，吐l e m a i nm e 切b 0 1 i cp a ：凼w a yo fd i 能r e n t 砌i v i d 试v f a sw 嬲姗e s t i g a t e d b y 觚a l y z m g 也e r e l a t i v ea b i l i t i e so fs o m ek e ye n z ) ，1 e s m 血r e s u l t so ft h i sd i s s e 似i o nw e r es h o 、) 1 7 na s f 0 1 1 0 w s ： ( 1 ) t h em 血c o m p o n e n t o fs l u d g em l u d 迦p r o t e i 芏1 sa 1 1 dc 曲o h y 蝴e si se n c l o s e di l l n l i c r o b i a lc e l l s t h ea u t o d s i sb i o p r o c e s so f1 1 1 i c r o b i a lc e l l sw 嬲s l o w ，w 嫩c hr e 砌t e d i i l 吐1 er e l a t i v e l y1 0 wc o n v e r s i o nr a t i o 矗o mp r o t e i 璐a n dc 衲o h y d r a t e s i i l t 0v f a s m o r e o v e r ，m er e s u l t sa l s os h o w e dt h a ta c e t i ca c i dw a l s 也em 血p r o d u c ti nt o t a lv f a s d u r i n g 也e 放a e r o b i cd i g e s t i o n a b s 仃a c t ( 2 ) e f f e c t so fv a r i o u sp r e t r e a 缸n e n tm e t l l o d si i l c l u d i i l gt h e r m o - a c i d ，廿l e r m o - a l k a l i l l e ， u 1 缸a s o m c a l k a l i r l ea n du 1 仃a s o l l i c - a c i do n 也es o l u b i i i z a ：t i o no fe x c e s s s l u d g ew e r e i n _ v e s t i g a t e d t h er e s 试t ss h o 、e dm a tb o 也也e 肌oo ru l 臼阻s o l l i c a l k 砒i 1 1 es i 鲥f i c a m l y i n l p r o v e d 廿1 es 0 1 u b i l i z a t i o no fs l u d g ea tam 曲c o n c e n t r 而0 n ( 7 4 o ft o t a ls 0 l i d ) s o l u b i l i z a t i o no fv o l a t i l es o l i d s s ) a n dt o t a lp r o t e i 工1 s 、弱6 0 2 乡缸61 6 髓d 6 6 8 6 7 5 ，r e s p e c t i v e l y m o r e o v e r ，s t o ca n ds t nc o 血e n 仃a t i o ni n c r c a s e dm o r e m a nb e f o r ep r e t r e a ：t i i l e 缸s t o ci 1 1 c r e a s e d7 6 2t i m e s ，w h n es 1 ni n c r e a s e d4 多7t i l ：i l e s t h eu l 觚o m c - o rt l l e r m o a l k a l m ep r e 订e 锄e n t s i g l l i f i c a l l t l yd e c r e a s e d 也ep a n i c l es i z e o f w a s 趿da c c o u mo f l e s st h a n1 0 哪p 矾i c l e sw a sf o r5 0 a n dm a n ym ：i 1 1 u t ec a v i t i e s 印p e a r e do n 也es u r f k eo fp a r t i c l e s t h e yc o u l dn o t0 1 1 l yh y d r o l y z ee x _ t r 2 u c e l h l l a r b i o p o l y m e rb u ta l s od e s t r o ys o m er n i c r o b i a lc e l l s b u tm e 也e n n o o rm 仃a s o l l i c a c i d p r e 仃e a t r l l e n tj u s td i s i i l t e 口a t e ds o m es l u d g en o c s o nm ec o n 吨，t 1 1 ee 恐c to fm e n l e r n l o o ru 1 仃a s o m c - a c i dm e 吐l o do n 廿1 es o i u b i l i z 撕o no fw a sw 觞n o t o b v i o u s t h e y j u s td i s i m e g r a t e ds o m es l u d g en o c s ( 3 ) e 虢c t so ft h e s ef o u rp r e 仃e a 吼e n tt e c h m q u e so nn l es u b s e q u e ma c i d i f i c a t i o n e 伍c i e n c yo fe x c e s ss l u d g ew e r e 胁h e ra n a l y z e d 1 1 1 er e s u l t ss h o w e d 也a t 也e a c i d i f i c a t i o ne 伍c i e n c yo fs l u d g ew a l si m p r o v e di nt l l ec 2 l s eo f 也e 也e 眦o - o ru k a s o l l i c - a 】m ep r e 仃e a ：缸n e n t c o m p a r e dw i m 廿l eu 1 1 仃e a t e ds l u d g e ，t h ec o n c e m r a t i o no ft o t a l v f a si n c r e a s e db y5 9 1 f o r 也eu l t r a s o i l i c - a n ( a l 血p r e t r e a t m e n t ，a 1 1 di n c r e a s e db y 6 8 2 f i v 也e 血e 衄o - a l k a l i n ep r e t r e a 协l e n ta tt i ：l ef i n a l 佗m l e n t a t i o n s 0 1 u b l ep r o t e i l l w a st 1 1 em a i ns o u r c ef o rt h et o t a lv f a sp r o d u c t i o ni nt h ep r e 仃e a t e dw a s s l u r 珂谢虹lm e t l l e m o - 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1 1 i 仃0 9 卧r a t i o ( c c o m di i n p l e m e n td i 舵r e n t 铆) e s o fa c i d - f b m l i l l gf e m l e n t 撕o nd u r i l l g 也ea n a e r o b i ca c i d o g e n e s i s c o n 臼0 l l i n g i n i t i a lc ni n 也em g eo f1 2 4 4 ，也em 咖p r o d u c t 、娜a c e t i ca c i d s ，w 扯l ep r o p i 砌c a n da c 舐ca c i d sb e c 锄e 也em a i np r o d u c t sl l l l d e r 也ec o n d i t i o n so fi 1 埘a lc nv 耐e d b e t w e e n5 6a 1 1 d6 9 w m 也ek r e 嬲eo f 扛越a 1c 肘丘d m1 5 6t 02 5 6 ，b u 嘶ca c i d - t ) ，p e o ff e n n e n t a t i o na p p e a r e di 1 1 也ef e m e n t a t i o np r o c e s s t h ec h a n g ei n 也ed i f f e r e n tt ) ，p e s o fa c i d - f 0 加：1 i 1 1 9f e m l e m a t i o nw a sc a _ u s e db yt h ec k m g e si i l 也e d o m i n 趾t 血c r o b i a l p o p u l a t i o n s ，自o m a c e t i ca c i d - p r o d u c i n gb a c t 矗a 1 ( 尸印幻j 饥节幻c c 淞) t 0p r o p i o n i c a c i d p r o d u c i n gb a c t e r i a l ( n 印f d 以汤钟招，f “m ) ，觚dt l l e nt 0b 啦匝c a c i d - p r o d u c i i l g b a c t e r i a l ( c z d j 护翮“所) a tt 1 1 el o w 砬t i a lc n ，也ei n c r e a s eo fh 2a 1 1 dc 0 2w 弱s l 毗b u t 谢t h 也ei n c r e a s eo fi n i t i a ic n 丘o m15 6t o2 5 6 ，t h e yi i l c r e a s e dr a p i d l y m o r e o v e r ，也e m 血m e 讪o l i cp a 也w a yr e s u l t e di n 也ea c 咄训a t i o no fp r e d o m i n a n t 认s 、懈 c h 纽g e d 丘o m 血e 罨t i c k l a 口dr e a c t i o na t1 0 wi 1 1 i t 试c 】nt o 吐l em e t a b o l i cp a d m 吵so f p y r u 啊ca c i d 丘o m9 1 y c 0 1 y s i s k e yw o r d s ：s e w a g es l u d g e ，v 0 1 a t i l ef a 仕ya c i d s ，p r e t r e a 恤e m ，p r o t e 氓c o n 仃o u i n go f p h ， s 仃a t e g yo fc a r b o n - 1 1 i 廿o g e n - r a t i o ，m e c h a 正s mo fr n j c r o o 培a 1 1 i s m ，m e t a b 0 1 i c p a 也w a y v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签 名：j | 斗蹈止导师签名： 日 期： 2 塑绛因兰；! 叠 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 1 1 1 城市污泥的现状 国民经济的持续快速发展势必导致城市生活污水排放量逐年增长。据报道【l 】， 2 0 0 5 年全国城镇生活污水排放总量为4 9 6 o 亿吨，比上年增长3 9 3 ，是1 9 9 4 年 的6 3 7 。污水排放量的加大，则处理力度也势必随着增加。目前，8 6 2 的污水 处理厂采用活性污泥法【2 】，导致污水处理过程中的副产物污泥大量产生。就 一座二级污水处理厂而言，产生的污泥量约占总处理污水的0 3 o 5 ( 体积) ， 若再进一步深度处理，污泥量还可能增加o 1 1 0 倍【3 j 。2 0 0 0 年全国湿污泥产生 量高达1 9 4 5 万吨，之后以每年2 0 的速度快速增长【4 5 】。由于污泥处理处置费用 通常占到污水处理总操作成本的6 0 以上【6 】，快速增长的城市污泥必然促使污水 处理成本成倍提高。因此，发展对城市污泥进行经济有效的处理处置技术迫在眉 皑7 - 引。 污泥的处理处置研究中，国内外大多采用初沉污泥或初沉污泥与剩余活性污 泥二者的混合污泥【9 。16 1 ，而对于单独的剩余活性污泥研究较少。无论是初沉污泥 还是剩余活性污泥，其有机物含量都比较高【1 7 】。但这两类污泥的性质也存在一些 差异，如初沉污泥其有机成分多以碳水化合物和脂类为主，而剩余活性污泥则以 蛋白质居多【1 8 1 。表1 1 概述了这两类污泥在一些性质方面的差异。 表1 1 初次沉淀污泥和剩余活性污泥的性质差异【1 9 】 t a b 1 - 1g e n e r a lc h a r a c t e r i s t i c so fp r i m a r ya n ds e c o n d a r ys l u d g e 江南大学博士学位论文 1 1 2 污泥处理处置的技术 污泥处理的过程主要包括浓缩、脱水、消化( 厌氧消化和好氧消化) 、堆肥 和干化等工艺过程【2 0 】，而污泥处置则主要有土地利用、污泥农用、填埋和焚烧等 【2 1 】。这些处理处置技术各自的优缺点详见表1 2 所示。目前，污泥的处理处置技 术虽然呈多样化的形式，但是这些技术大多是基于使污泥达到减量化、无害化和 稳定化的目的。因此，在达到这些目的同时，如何结合社会效益、经济效益和环 保效益最大化地利用污泥中的有机质是今后污泥处理处置技术发展所需考虑的新 方向。 表1 2 污泥处理处置技术的特点总览【2 2 。2 7 】 t a b 1 - 2c h a r a c t e r i s t i c so ft h et e c h n i q u e sf o rt h ed i s p o s a la i l d 仃e a 仃n e n to fs e w a g es l u d g e 2 第一章绪论 1 1 3 污泥的资源化开发 由于可持续发展的社会需求和政府的政策扶持，当今固体废物处理的重心已 从污染控制转向资源开发。应用生物技术策略将有机废物转化为生物能源和生物 化学品业已成为目前有机固体废物处置的热点【2 8 砚】。在生物转化过程中，即使需 要加热耗能，这些策略也被认为最终能实现收支平衡，甚至产能大于耗能。 目前，在应用生物技术策略将污泥中有机物质转化为生物能源和生物化学品 方面，大部分研究者集中于生物能源，如甲烷【3 3 4 0 1 和氢气【4 1 4 7 1 。但是污泥无论是 用来产甲烷，还是产氢气，获得的产物附加值含量都比较低，导致污泥资源化的 经济效益不容乐观 4 8 】。因此，利用污泥这种廉价的底物生产附加值更高的生物化 学品将成为污泥资源化的新途径【4 引。 挥发性短链脂肪酸是污泥厌氧消化过程中产生的重要的中间代谢产物。这些 脂肪酸包括乙酸、丙酸、异丁酸、丁酸、异戊酸和戊酸等，其附加值不仅要高于 生物氢，而且还远大于甲烷。各种挥发性短链脂肪酸的价格见表1 3 。 表1 3 挥发性短链脂肪酸价格一览表 i 2 【b 1 - 3p r i c eo f e a c hi n d i v i d u a lv 0 1 a t i l ef a l 毋a c i d s 注：2 0 0 7 年化学品市场报告 乙酸、丙酸、异丁酸和丁酸等这些脂肪酸不仅具有较高的附加值，而且用途 也较为广泛。如，在污水处理厂可作为内源碳被脱氮除磷菌利用以去除富营养化 污水中的氮和磷，使污水达到排放标准【1 0 5 0 1 。再如，丁酸和丙酸等脂肪酸经提取 分离或者经过耦合系统可作为发酵工业的生产原料被微生物进一步利用来获得生 物可降解塑料【5 l - 5 5 1 。此外，这些脂肪酸经提取后还可在其它行业上作为原料用于 合成其它的化学品。如，乙酸可用来化学合成醋酸乙烯，其是合成工业塑料的单 体。再如，乙酸化学合成为醋酸纤维素后，再进一步通过化学手段转化为阿斯匹 林、乳胶涂料、色素、原料等。因此，采用一些生物技术策略控制污泥厌氧消化 在酸化阶段获取以乙酸等挥发性脂肪酸为目标产物是实现污泥资源开发的一条具 有广阔应用前景的途径【5 6 】。这条途径不仅具有较大的社会、环境和经济意义，而 且还具有较高的学术意义。 1 2 国内外研究现状和发展动态 1 2 1 城市污泥厌氧发酵产酸的影响因素 1 2 1 1 预处理技术 3 江南大学博士学位论文 针对初沉污泥或剩余污泥进行预处理，国内外学者已作了一些研究。早期的 研究工作多集中于化学方法。如1 9 8 9 年，r 萄a 1 1 掣5 7 j 首先提出了污泥碱预处理方 法。这种方法能够促使4 5 以上的有机质溶解，随之提高污泥消化产气量和挥发 性有机质( v s ) 去除率。m 等【5 8 】比较了几种不同的碱及碱量对污泥预处理的效 率，认为n a o h 在提高液相中可溶性化学需氧量( s c o d ) 方面效果最佳。国内 李敏等【5 9 】也得出了相同的研究结论。其他化学方法还有酸、氧化剂及还原剂等。 近几年发展起来的预处理方法有热、超声波、微波、真空裂解和臭氧氧化等。最 近，国外还有部分学者就两种预处理方法相结合与单种方法对有机质的去除率作 了比较研究。如v a l o 等【6 0 】及v 1 y s s i d e s 等【6 l 】发现相对于其它单一的处理方法，热 化学方法能够有效提高污泥有机质融出率。其它有关污泥预处理的研究概况如表 1 4 所示。 表1 4 国内外污泥预处理方法的研究概况一览表 t a b 1 4c o m p a r i s o na m o n gv a r i o u sp r e 仃e a t m e mt e c h n i q u e sf o rp r o d u c m gb i o g a so rh y d r o g e n f o mp r i m a i yo rs e c o n d a 巧s l u d g e 需要说明的是无论是单一预处理方法还是不同预处理方法相结合，研究的目 的大多是为了提高污泥中有机质转化为甲烷或氢气产量的比率。因此，针对产甲 烷最适的污泥预处理手段是否同样适宜用来预处理污泥以增强厌氧发酵产酸效率 仍需进一步研究。 4 第一章绪论 1 2 1 2 温度 温度是影响微生物生命代谢活动的重要因素。污泥厌氧发酵过程是微生物将 污泥中的有机质转化为目标产物的代谢过程。通过温度策略可控制厌氧发酵产酸 效率，这是因为温度可从以下几个方面影响发酵过程：( 1 ) 微生物的种群结构； ( 2 ) 微生物的生长速率；( 3 ) 酶活的高低；( 4 ) 生化反应的速率；( 5 ) 基质 降解速率。厌氧消化过程主要是由细菌完成。厌氧水解酸化细菌可适应的温度范 围较广，可在低温、中温和高温，甚至更高的温度( 1 0 0 ) 条件下生存。因此， 按温度范围不同可将厌氧发酵分为三种类型：低温厌氧发酵( 1 5 2 0 ) 、中温厌 氧发酵( 3 0 3 5 ) 和高温厌氧发酵( 5 0 6 0 ) 。国内外针对温度影响因素的研 究，主要是从生物可降解有机质的融出率、有机物质的降解速率、代谢产物构成 比的影响和发酵过程稳定性方面来探讨的。 厌氧发酵运行于不同温度条件下，污泥酸化效率的差异也较大。多数研究者 报道【6 弘7 4 】，高温运行条件下可增大乙酸在总酸中的构成比及显著提高厌氧消化速 率，从而缩短污泥停留时间，提高厌氧发酵生产强度。但是，高温运行发酵方式 耗热量多，过程不稳定，运行管理要求也比其它两种发酵类型高而且复杂。此外， 高温条件下有生物活性的水解产酸菌种群和数量都较少，导致发酵过程不稳定； 并且温度的波动对酸化产物的影响也较大【7 1 ，。7 3 】。上述缺点限制了这一发酵类型的 扩大运用。 中温厌氧发酵方式基本不存在高温厌氧发酵方式上述的缺点，并且中温发酵 反应速度较快，所需发酵时间又要比低温发酵短，再加上反应温度适中，故目前 在厌氧生物处理中大多采用中温发酵。近年来，众多研究者针对中低温条件下有 机质的降解速率和酸化效率开展了有关的研究7 5 。7 7 】。如b a n e i j e e 等【7 8 】考察了2 2 3 5 范围内温度对初沉污泥和工业废水混合物( 1 ：1 ) 水解和酸化的影响。结果表 明，水力停留时间( h l 玎) 为3 0h ，挥发性短链脂肪酸( 懒) 和s c o d 的产量 在温度为2 2 3 0 范围时随温度升高有所增加，其中懒产量提高了1 5 。但 是，当温度继续上升至3 5 时，其产量却有所下降。中低温厌氧发酵方式的缺点 就是底物中颗粒有机物质的水解往往成为厌氧发酵的限速步骤，这在低温厌氧发 酵方式中更为突出【7 9 一s 们。 1 2 1 3p h p h 是厌氧发酵过程中最重要的环境因子之一。产酸发酵细菌都存在一个适 宜生长的p h 范围，超出这个范围将导致其生理活性丧失。此外，同一产酸发酵 细菌由于环境p h 不同，生长繁殖的速率和代谢途径均可能发生改变，进而累积 不同的代谢产物。因此，虽然厌氧发酵产酸过程可在p h 为3 0 1 2 0 范围内进行， 但是不同的p h 条件能够导致酸化产物的种类和含量不同。 5 【南人学博卜 值论史 任南琪等”以为，。hq j 以决定厌氧发酵产酸类型，见图l l 所不。h o n u c h l 等”以葡萄糖作底物接种污泥厌氧发酵产酸。结果表明，当口h 为6 左右时，酸 化产物以j 酸为士：而当p h 为8 时，土要产物则转变为乙酸和丙酸。z h u 等”4 以醅j 酸梭荫( c 如s 埘d f 砂r 。6 “秒“m ) 厌氧发酵小糖产酸，发现p i i 为63 时， j 酸为二 要产物：p h 为5 ( 卜57 时，以产乙酸和乳酸为主。囡此，得出控制厌 氧发酵过程在不同的p h 条件町得到不同发酵产酸类型的结论。需要说明的是这 些研究基奉l ：都是以碱水化合物或富古碳水化台物的有机废水作为底物，由此得 的结论町能并不适用十指导富含蚩白质的有机废水或有机废物如污沈的扶氧 发酵产酸过程。 p ： _ 4 0 0 l 圭竺型l 嗣i 1p h 和氧化处胤o n 付对厌瓴发酵产艟娄的影响“ l - ll 髓c bo f p i ia n d 。x l d a l l 。n m d u c t l v 。p o l e n t 】a l ( 0 r p )