剩余污泥与玉米秸秆的共发酵产酸性能及其数学模型研究

【摘要】：剩余污泥中含有大量有机物，其水解酸化过程不仅能实现污泥减量，而且能够产生高附加值的代谢产物—挥发性脂肪酸，将污泥水解产生的挥发酸作为碳源应用于生物脱氮除磷工艺，可以显著提高脱氮除磷效率。但是剩余污泥的碳氮比（C/N）较低，不利于厌氧微生物代谢，因此本研究以玉米秸秆作为外碳源，与剩余污泥共发酵，通过调节发酵体系的碳氮比，来提高剩余污泥的厌氧发酵产酸效能。并基于厌氧消化一号模型（ADM1）建立共发酵体系在半连续流实验中厌氧消化过程的动力学模型，对水解产酸进行模拟、预测并进一步分析投加秸秆对剩余污泥发酵产酸的促进作用。 为确定最佳的玉米秸秆投加比例，开展了一组中温厌氧静态发酵试验，结果表明，玉米秸秆投加比例为1:2gVSS秸秆/gVSS污泥时，对剩余污泥产酸的促进作用最大，挥发酸最大积累量提高了20.2%，而投加比例为1:1的试验组只提高了14.5%，1:3,1:4试验组对污泥产酸的影响非常小，且投加比为1:2时单位质量秸秆对挥发酸产量增加量的贡献值最大。静态试验数据还显示玉米秸秆的投加能够一定程度地促进剩余污泥的水解，增加污泥体系中产酸底物的浓度，从而能够显著地提高挥发酸的积累量，并且提高挥发酸中乙酸比例，降低戊酸和丁酸的比例。 利用静态试验获得的最佳投加比例，启动运行了半连续流小试发酵反应器，考查在不同SRT运行条件下，污泥秸秆共发酵体系的水解和产酸效能，结果发现：SRT为10d，8d和5d三个阶段稳定期的平均挥发酸浓度分别为8767.2mgCOD/L，8887.7mgCOD/L和8239.8mgCOD/L，单位质量（以污泥可挥发性固体质量计）污泥投入对应的挥发酸产率分别为0.39、0.41、0.42g挥发酸/g污泥。SRT为3d时，体系崩溃。从不同阶段的挥发酸含量和产率的变化规律可以看出，超声污泥和玉米秸秆共发酵体系在半连续流发酵试验中能够获得稳定的产酸效果，且挥发酸产量较为可观。反应器最优运行SRT为5d，能承受较高的有机物负荷，具有一定的应用前景和开发价值。 在ADM1模型基础上，根据试验条件和底物特性提出假设，建立了污泥-秸秆共发酵体系在半连续流反应器中厌氧消化过程的动力学模型，通过灵敏度分析甄选出模型中的关键参数，并利用静态发酵试验中秸秆比例为1:2试验组的试验数据拟合求解，完成模型的参数校正。利用半连续流试验数据对模型进行检验，结果各组分模拟误差均在5%以内，模拟数据总体上与实测值变化趋势吻合，证明模型能够模拟共发酵体系的厌氧水解产酸变化过程。 利用所获得的动力学模型，对静态厌氧发酵空白组和试验组试验数据进行参数拟合和对比，证明玉米秸秆的加入不仅能为产酸菌提供了更多发酵底物，而且能够促进蛋白质和碳水化合物的水解，增强水解酶活性，提高水解速率，从而提高挥发酸积累量。利用所得半连续流动力学模型进行不同条件下的模拟分析，预测了反应器产酸效能进一步提高的方法：采用连续流操作，减小对发酵体系的冲击负荷；采用固定SRT操作，理论最佳SRT条件为3d；可尝试对进料污泥进行适当浓缩，提高初始污泥浓度。 【关键词】：剩余污泥 玉米秸秆 厌氧发酵 挥发性脂肪酸 数学模型
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：X705;X712
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-24
• 1.1 课题背景10-12
• 1.1.1 城市剩余污泥处理处置现状10
• 1.1.2 我国秸秆资源利用现状10-11
• 1.1.3 厌氧消化数学模型研究及应用现状11-12
• 1.2 剩余污泥厌氧发酵产酸研究进展12-17
• 1.2.1 剩余污泥预处理方法研究进展12-15
• 1.2.2 剩余污泥发酵产酸影响因素研究进展15-17
• 1.3 厌氧消化模型研究及应用进展17-21
• 1.3.1 厌氧消化数学模型的发展历程18-19
• 1.3.2 ADM1 模型在国内外的应用19-20
• 1.3.3 ADM1 模型存在的问题20-21
• 1.4 本论文主要研究内容21-24
• 1.4.1 课题来源21
• 1.4.2 研究的目的与意义21-22
• 1.4.3 主要研究内容22-24
• 第2章 材料与方法24-30
• 2.1 试验用剩余污泥及玉米秸秆来源及性质24
• 2.2 试验装置24-26
• 2.2.1 污泥超声处理装置24-25
• 2.2.2 静态试验装置25
• 2.2.3 半连续流试验装置25-26
• 2.3 试验方法26-28
• 2.3.1 剩余污泥及玉米秸秆预处理方法26-27
• 2.3.2 静态试验方法27
• 2.3.3 半连续流反应器运行方法27-28
• 2.4 试验分析项目及分析方法28-30
• 2.4.1 试验仪器28-29
• 2.4.2 常规测定方法29
• 2.4.3 VFAs 测定方法29-30
• 第3章 玉米秸秆投加比例的优化及半连续流发酵反应器的运行效能30-46
• 3.1 玉米秸秆投加比例的优化30-37
• 3.1.1 不同秸秆投加比例下剩余污泥有机质溶出变化规律31-34
• 3.1.2 不同秸秆投加比例下 VFAs 积累量及其组成结构的变化情况34-37
• 3.2 半连续流厌氧发酵反应器的运行效能研究37-45
• 3.2.1 污泥水解及有机质浓度变化规律37-38
• 3.2.2 蛋白质和碳水化合物浓度变化规律38-40
• 3.2.3 VFAs 产量及组成结构变化规律40-43
• 3.2.4 氨磷的释放规律43-45
• 3.3 本章小结45-46
• 第4章 剩余污泥与玉米秸秆共发酵基质的半连续流厌氧发酵动力学模型46-65
• 4.1 模型的建立46-53
• 4.1.1 参考依据及模型假设46-47
• 4.1.2 模型状态变量及模型参数的说明47-49
• 4.1.3 平衡方程的建立49-53
• 4.2 模型参数求解53-56
• 4.2.1 化学计量系数及动态变量初值53-54
• 4.2.2 动力学参数敏感度分析54-55
• 4.2.3 关键参数的求解方法和求解结果55-56
• 4.3 模型模拟结果分析与评价56-59
• 4.4 模型应用59-64
• 4.4.1 玉米秸秆为外碳源对剩余污泥发酵产酸的促进作用分析59-61
• 4.4.2 半连续流反应器产酸效能提升方法预测61-64
• 4.5 本章小结64-65
• 结论65-66
• 参考文献66-73
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果73-75
• 致谢75

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