硕士毕业论文范文——廉价有机质外碳源利用强化新农村低碳污水处理研究

1、硕士毕业论文范文廉价有机质外碳源利用强化新农村低碳污水处理研究硕士学位论文 廉价有机质外碳源利用强化新农村低碳污水处理研究 姓 名： 学 号： 所在院系：环境科学与工程学院 学科门类：工学 学科专业：环境工程 指导教师： 年 月 同济大学 硕士学位论文 摘要 廉价有机质外碳源利用强化新农村低碳污水处理研究 同济大学 摘要 本论文针对长三角地区农村污水普遍存在的COD/N低.反硝化碳源严重不足等问题，提出采用周围地区储量丰富.方便易得的廉价生物质稻草和厨余作为污水反硝化脱氮外碳源，以期为低COD/N的农村污水处理提供一种廉价高效碳源，并为秸秆和农村厨余等庭院垃圾的减量化开辟新思路。基于此，本文分

2、别通过稻草和厨余生物质反硝化潜力测试.生物质厌氧批次试验和生物质补充MBR外碳源小试试验对生物质外碳源的特性开展研究。主要研究结论有：（1）稻草反硝化潜力（DP）与NaOH浓度.预处理时间.预处理温度成正比，三因素交互影响显著，最大DP值为126.63 mgN/gVS。9种厨余组分DP值范围为63100 mgN/gVS；（2）稻草厌氧水解效果与预处理NaOH浓度.水解pH和基质比（F/M，w/w）关系显著，最佳条件为： NaOH浓度1.5%.pH=8.F/M=4，对应产酸量为0.36 gVFA/gVS（6d）。NaOH能致使木质纤维素中的部分氢键.二硫键等基团断裂，从而破坏“木质素NOx-N比

3、反硝化速率，h-1； RmaxNOx-N浓度，mg/L； S相对于NOx-N的半饱和常数，mg/L； Ks碳源降解速率； k微生物浓度，g/L； S相对于Ss半饱和速率常数，mg/L； Kc溶液中溶解氧浓度，mg/L； KDO反硝化菌在微生物中所占比例。根据Henze和Carucci等24,25研究表明，在生活污水中，Ks取值在815 mg/L（以COD计），Kc为0.10.4 mg/L（以COD计），KDO推荐值为0.120.2 mg/L。Gmez等26指出，反硝化菌对碳源的利用主要分为吸附过程和降解过程，溶解态有机物通过传质透过细胞膜，进入微生物机体，被反硝化菌直接利用。而颗粒态的有机物首

4、先是被微生物吸附在细胞表面27，随后被水解酶催化分解为小分子可溶性有机物。在缺氧状态下，水解产生的小分子可溶性有机物被反硝化菌作为碳源利用。1.2 生物质厌氧水解研究现状 厌氧水解28是指，在厌氧环境下，厌氧微生物对有机质逐步降解，最终生成小分子可溶性有机物的过程，是厌氧消化反应的重要组成部分。此过程中，不同种类微生物的代谢活动相互影响.相互制约，形成复杂的生态系统。目前，单纯针对厌氧水解的研究较少，大多是将其作为厌氧消化一部分进行研究。人们对厌氧消化的复杂过程认识经历一个由浅到深，逐渐完善的过程，从20世纪30年代的厌氧消化二阶段理论逐步发展到当今的三阶段或四阶段理论。二阶段理论是按厌氧消化

5、的终产物划分29，将参与微生物分为不产甲烷细菌和产甲烷发酵细菌两组，即产酸和产甲烷两阶段。1.2.1 生物质厌氧水解机理 产酸阶段主要对复杂大分子有机物进行厌氧水解，发酵产生短链脂肪酸（Volatile fatty acid，VFA）.醇类和H2等小分子有机物三个阶段，而产甲烷阶段主要是将产酸阶段产生小分子物质进一步利用，转化为 CH4和CO2等终产物。两阶段理论对厌氧消化的复杂过程进行合理简化，并在相当长时间内指导着生产实践，但随着研究的深入，逐步发现这一理论并没有深刻全面的反映厌氧消化本质。在1979年， Bryant等30研究表明奥氏甲烷杆菌是一种产氢产乙酸菌的协同共生菌，在此基础上提出

6、厌氧消化三阶段理论，将厌氧消化过程划分为三个阶段：水解.产酸和产甲烷阶段。在厌氧水解菌作用下，复杂大分子物质（蛋白质.多糖.脂肪等）在水解菌作用下，水解产生小分子可溶性有机物（单糖.长链脂肪酸.氨基酸等）；在产氢产乙酸菌作用下，水解菌产生的小分子被利用，代谢产生VFA.H2.CO2等物质；产甲烷菌利用VFA.H2.CO2为底物，代谢产生CH4。三阶段理论较好地对厌氧消化的复杂反应进行了描述。与此同时，Zeikus等31提出厌氧消化四阶段理论，如图1.1所示，将厌氧消化划分为水解.产酸.产乙酸和产甲烷四个阶段。与三阶段理论存在差异的是，四阶段理论将产酸阶段细分为产酸阶段和产乙酸阶段。其中，产酸阶

7、段是指在产酸菌作用下，将水解阶段产生的小分子有机物转化为短链脂肪酸.乳酸和醇类等末端产物；而产乙酸阶段是指，在产氢产乙酸菌作用下，将产酸阶段产物等转化为 H2.CO2和乙酸等终产物。注：1-发酵细菌；2-产氢产乙酸菌；3-同型产乙酸菌；4-产甲烷菌（以H2.CO2为底物）；5-产甲烷菌（以乙酸为底物）；I.II.III为三阶段理论；I.II.III.IV为四阶段理论 图1.1 厌氧消化三阶段和四阶段理论 吴云等31研究表明，厌氧消化限速步骤为产酸阶段，其中，产酸菌和产甲烷菌生理特性如表1.1所示。表1.1 产酸菌与产甲烷菌生理特性对比 参数 产酸菌 产甲烷菌 种类 多 相对较少 时代时间 短（

8、416 h） 长（12168 h） 细胞活性(gCOD/gVSSd)39.65019.6 对pH值的敏感性 不太敏感 很敏感 最佳pH6.57.56.87.2 氧化还原电位150 -350（中温）；-560（高温） 最佳温度20353038，5055 对毒物敏感性 一般性敏感 敏感 Josebus等32对猪粪.牛粪.污泥和纤维素的厌氧消化进行研究，结果表明，水解反应由两阶段完成。第一阶段是微生物被颗粒物吸附，并逐渐覆盖在其表面；第二阶段为微生物以颗粒作为底物，释放水解酶，颗粒逐渐被消耗，厚度逐渐减小。1.2.2 厌氧水解动力学模型 Borja等33指出，颗粒态有机物的水解过程可划分为3步：瓦解

9、（Disintegration）.溶解（Solubilization）和酶解（Enzymatic Hydrolysis）。瓦解是指大颗粒有机物变成小颗粒有机物的过程，形成的小颗粒物包括多糖.蛋白质.脂肪以及惰性颗粒；溶解是指多糖.脂肪.蛋白质等经过水解酶作用分解成单糖.长链脂肪酸和氨基酸可溶性小分子有机物；酶解是指可溶性小分子有机物在水解微生物作用下，代谢产生VFA.乳酸和醇类等小分子有机物。3个步骤相辅相成，共同作用促使颗粒型有机物被厌氧微生物底物利用。国内外学者35-37针对颗粒态有机物水解动力学做了大量研究，建立一些颗粒有机物水解动力学模型，主要分为：基于颗粒有机物浓度，基于颗粒表面积以及基于颗粒有机物成分的三种厌氧水解模型，分别对应于常用的一级动力学模型.SPM模型和PBM模型。（1）一级厌氧水解动力学模型 Eastman等36将一级动力学模型应用到初沉污泥的厌氧水解中模型中，将厌氧水解过程简化为针对底物的一级动力学方程，得到很好的拟合效果，方程表达式如下所示。（1.10） 式中：P底物（颗粒态有机物）浓度，mg/L； P0一级动