外加酶促进剩余污泥热水解的研究

论文摘要

活性污泥法是目前世界上应用最广泛的污水处理技术，而产生的剩余污泥量约占总处理污水量的0.3%0.5%（按含水率97%计），如进行深度处理，污泥量还可能增加0.51.0倍。在污水处理厂的全部基建费用中，用于处理污泥的约20%50%，甚至达到70%，所以污泥处理是污水处理系统的重要组成部分。但是，传统的污泥好氧消化时间长，动力消耗大；而水解是污泥厌氧消化的限速步骤，剩余污泥的可降解性差又是制约其厌氧消化的瓶颈问题。相对于物理法（热处理、超声波等）、化学法（臭氧氧化、碱处理等）和生物法，外加水解酶（如淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶等）的污泥处理方法，不但可以缩短污泥水解时间，改善污泥的脱水和消化性能，有利于污泥的后续处理，且对环境无二次污染。结合后续工艺不仅可以实现污泥的“零排放”，还可实现废水的高效生物降解和沼气产能的增加，应用前景良好。而相对于厌氧水解，微好氧条件则操作简单，反应后污泥没有臭味，此外有氧存在的条件下，一方面外加酶可以促进污泥的水解，另一方面污泥中嗜热菌可以通过隐性生长实现污泥减量化。本研究采用向污泥中外加淀粉酶强化剩余污泥热水解的处理方式，考察了微好氧条件下淀粉酶（投加量分别为0.25、0.5、1.0、1.5g酶/L污泥）对剩余污泥热水解的影响，以及水解过程中污泥上清液各成分的变化情况，并对酶水解过程的动力学进行了分析。实验结果表明：淀粉酶对污泥热水解有促进作用。最适宜温度50℃，最佳投加量0.5g/L下反应4h后，污泥中SCOD/TCOD达到30.98%，比未加酶时高7.68%。在淀粉酶催化作用和热水解的共同作用下，污泥固体溶解，大分子碳水化合物被水解成小分子糖类，固相蛋白质溶出，并进一步水解。污泥水解过程中，上清液中糖、蛋白质浓度都是先增加后降低。加酶后污泥上清液中糖浓度于4h达到最大值271.43mg/L，蛋白质浓度于6h达到最大值1437.37mg/L。污泥水解反应前4h内，VSS溶解率和SCOD/TCOD增加迅速，符合一级反应动力学，4h后反应趋于平衡。4h时VSS溶解率达到22.01%。本研究主要考察了微好氧条件下复合酶（α-淀粉酶和中性蛋白酶）对剩余污泥的水解效果。结果表明，控制投加酶总量为0.5g/L污泥时，复合酶对污泥的水解效果优于投加单酶。在所选的温度范围4050℃内，随着温度升高，污泥固体溶解效果越好。在微好氧条件下，控制总酶量0.5g/L污泥，反应温度50℃，淀粉酶：蛋白酶为2:1时，反应4h后污泥水解效果最好，SCOD/TCOD和VSS溶解率分别达到33.5%和25.4%，污泥上清液中糖、蛋白质的积累量分别为379.3mg/L、1479.5mg/L。低温有利于蛋白酶的催化活性，使氨氮得到有效积累。45℃时复合酶处理与投加单酶后氨氮浓度在8488mg/L之间，相差不大；40℃下配比1:3时，氨氮浓度累积量为最大86.4mg/L。本研究还选取温度、投加酶总量、复合酶配比和反应时间四个因素，建立一组四因素三水平的正交试验，通过对试验结果的极差分析和方差分析，考察了各因素对污泥水解效果及水解产物的影响主次顺序，并得出了外加酶促进剩余污泥热水解的最佳处理条件。直观分析和方差分析结果表明，影响污泥SCOD的溶出和污泥VSS溶解率的主要因素是温度和反应时间。直观分析表明，各因素对水解产物糖的累积影响主次顺序为温度＞总量＞配比＞时间；对蛋白质累积量的影响主次顺序为温度＞时间＞总量＞配比；对氨氮累积量的影响主次顺序为时间＞配比＞温度＞总量。综合考虑经济性和高效性，得出外加酶水解污泥的最佳处理条件为反应温度50℃，酶总量0.5g/L污泥，复合酶配比（淀粉酶：蛋白酶）2:1，反应时间4h。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.1.1 课题研究的背景
• 1.1.2 课题研究的目的和意义
• 1.2 污泥的产生及其特性
• 1.2.1 污泥的产生
• 1.2.2 污泥的种类及特性
• 1.2.3 我国污泥产生概况
• 1.3 城市污泥处理处置概况
• 1.3.1 传统的污泥处理处置方法
• 1.3.2 我国城市污泥处理处置现状
• 1.3.3 污泥处理方法
• 1.4 污泥预处理方法及问题
• 1.4.1 物理法
• 1.4.2 化学法
• 1.4.3 物理化学组合方式
• 1.4.4 生物法
• 1.5 酶水解污泥的研究进展
• 1.5.1 胞外酶水解污泥原理
• 1.5.2 酶水解污泥的特点
• 1.5.3 酶水解技术的研究进展
• 1.5.4 酶水解污泥的主要影响因素
• 1.5.5 外加酶水解污泥的研究现状
• 1.6 课题研究内容
• 第2章 淀粉酶水解污泥的研究
• 2.1 实验主要装置和仪器
• 2.1.1 实验装置
• 2.1.2 主要仪器
• 2.2 材料与方法
• 2.2.1 实验所用污泥与酶
• 2.2.2 实验方法
• 2.2.3 测定分析方法
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 淀粉酶投加量对污泥水解的效果
• 2.3.2 淀粉酶投加对污泥水解作用的过程分析
• 2.3.3 淀粉酶水解污泥动力学
• 2.3.4 淀粉酶水解污泥的机理探讨
• 2.4 小结
• 第3章 复合酶对污泥水解的效果
• 3.1 实验主要装置和仪器
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 实验所用污泥与酶
• 3.2.2 实验方法
• 3.2.3 测定分析方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 蛋白酶投加量对污泥水解的效果
• 3.3.2 复合酶对污泥的水解效果
• 3.4 小结
• 第4章 正交试验研究
• 4.1 实验主要装置和仪器
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 实验所用污泥与酶
• 4.2.2 正交实验设计
• 4.2.3 测定分析方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 正交试验结果
• 4.3.2 正交试验结果的直观分析
• 4.3.3 正交试验结果的方差分析
• 4.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录