论文总字数：22712字

摘 要

石化剩余污泥由污水处理过程产生，大量积累会对水体产生污染，严重污染空气环境，本研究采用外加酶强化石化剩余污泥厌氧消化，旨在加速剩余污泥水解，过程清洁无二次污染。考察不同条件下，剩余污泥的厌氧消化效果。论文针对不同温度、反应时间、酶投加量等条件对剩余污泥厌氧消化各指标进行了系统的分析与讨论。在最佳实验条件下，考察了单一酶以及复合酶对剩余污泥的水解效果。结果发现，在厌氧条件下，外加酶可以促进污泥的水解。在单一酶的作用下，α-蛋白酶释氮能力最佳；中性蛋白酶的释磷能力最佳；枯草杆菌蛋白酶溶出SCOD的能力最佳，且50 ℃下酶活较高，对剩余污泥的消化效果最佳。同等外部条件下，复合酶的作用效果比单一酶的作用效果要好，枯草杆菌蛋白酶与中性蛋白酶复合酶系为复合酶最佳组合，最佳投加比为1:3。

关键词：剩余污泥；外加酶；污泥水解；厌氧消化

Effect of Enzyme Addition on Anaerobic Digestion of Excess Sludge

Abstract

The excess sludge produced by the petrochemical process is generated by the sewage treatment process. A large amount of accumulated sludge will cause pollution to the water body and seriously pollute the air environment. In this study, the extra anaerobic digestion of the petrochemical excess sludge was used to enhance the hydrolysis of the excess sludge, and the process was clean without secondary Pollution. Examine the effect of anaerobic digestion of excess sludge under different conditions. This paper systematically analyzes and discusses the indicators of anaerobic digestion of excess sludge for different temperatures, reaction time, enzyme dosage and other conditions. Under optimal experimental conditions, the effects of single enzymes and complex enzymes on the hydrolysis of excess sludge were investigated. It was found that, under anaerobic conditions, the addition of enzymes can promote the hydrolysis of sludge. Under the action of single enzyme, α-protease had the best nitrogen releasing ability; neutral protease had the best ability to release phosphorus; subtilisin had the best ability to elute SCOD, and the enzyme activity was higher at 50 °C, and the excess sludge was The best digestion results. Under the same external conditions, the effect of the complex enzyme was better than that of a single enzyme. Subtilisin and neutral protease complex enzyme were the best combination of complex enzymes, and the optimal ratio of the enzyme was 1:3.

Key words: Excess sludge; added enzymes; sludge hydrolysis; anaerobic digestion

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 文献综述 1

1.1 研究背景 1

1.1.1 剩余污泥的产生 1

1.1.2 剩余污泥的危害 2

1.2 剩余污泥处理方法研究进展 3

1.2.1 物理降解 2

1.2.2 化学降解 2

1.2.3 生物降解 3

1.3 剩余污泥厌氧消化 4

1.4 研究目的和内容 5

1.4.1 研究目的 5

1.4.2 研究内容 5

第二章 外加酶促进剩余污泥厌氧消化的研究 6

2.1 实验仪器与设备 6

2.1.1 实验试剂 6

2.1.2 实验仪器 6

2.1.3 分析方法 7

2.1.4 计算方法 8

2.2 实验方法 9

2.2.1 实验步骤 9

2.3 单酶对剩余污泥处理效果研究 10

2.3.1 投加量对剩余污泥厌氧消化的影响 10

2.3.2 反应时间对剩余污泥厌氧消化的影响 13

2.3.3 温度对剩余污泥厌氧消化的影响 14

2. 4 复合酶对剩余污泥处理效果研究 16

2.4.1 投加比对剩余污泥SCOD的影响 16

2.4.2 投加比对剩余污泥氨氮含量的影响 19

2.5 本章小结 23

第三章 结论与展望 24

3.1 结论 24

3.2 展望 24

参考文献 26

致谢 26

第一章 文献综述

1.1 研究背景

随着我国经济的发展和人们生活水平的提高，生产生活中产生的污泥量愈来愈多。到2010年年末，我国有343亿立方米城镇污水得到处理，然而污水处理过程中产生将近200万吨的残渣，也就是脱水污泥，且有80%没有得到妥善处理^[1-2]。一方面污水中的重金属和一些难降解的毒性有机物被堆积到污泥中^[3]；另一方面利用生物技术处理污水时，微生物繁殖菌体数量增加导致污泥产量激增，其中难降解的毒性有机物的堆积沉降会严重危害人体健康^[4]。有机化合物的变质会产生恶臭；病原微生物的大量滋生会传播人类和牲畜的疾病；重金属通过被制止被汲取，被人类摄入在体内富集；而且对于污泥处理方法不正确的话很可能会引起环境的二次污染^[5]。因此我们对于可持续发展的污泥处理是既要满足有效的资源在利用又要尽可能减少对人类或环境有害物质的产生。目前国内对于污泥处理的研究还处于初步阶段，想要做到真正的可持续发展还有很长的一段路要走。我们的目标是既要维持污水处理厂的运营同时尽可能减少其财务支出、包围环境状况、并做到废物利用。怎样对剩余污泥进行有效处理和处置，并快速稳定污泥，是我们要面临和需要解决的主要问题。

1.1.1剩余污泥的产生

在生化净水这一过程中，废水中的有机物被生长在活性污泥系统中的微生物不断吞噬着^[6]。污水中的某些有机物是系统中微生物维持新陈代谢不可所缺的物质^[7]。主要通过以下两种方式：一是提供维持微生物生存所需的能量，这些能量主要通过微生物体内的氧化反应产生；二是进入微生物细胞形成新的细胞质。而剩余污泥就是通过在这一微生物新陈代谢的过程中所产生^[8]。

1.1.2 剩余污泥的危害

处理生活污水的污水处理厂所产出的剩余污泥，其中不仅含有活性污泥中的这些成分外，同时还含有一些氮、磷等化学元素^[9]；另外处理工业污水的污水处理厂所产出的剩余污泥，除包含和生活污水其中相同的一些物质之外，另外还包含某些重金属以及某些化学物质等有毒有害得成分^[10]。剩余污泥的不及时处理可能产生二次污染，这样的二次污染可能会比首次污染更加严重，二次污染主要系现在以下三个方面^[11]：(1)水体污染：受到雨水浸泡的剩余污泥会产生渗出液和滤沥，从而造成对地表水淡水的二次污染^[12]。(2)大气污染：污泥中一些厌氧细菌通过厌氧消化反应生成大量含CH₄的沼气，通过扩散污染空气。与此同时由于污泥的风干产生的一些粉尘也会扩散到空气中，严重污染空气环境，导致PM2.5的升高。除此之外，对剩余污泥进行焚烧处理，会散发毒气和臭气，进而造成大气污染^[13]。(3)土壤污染：未经过处理并且随意堆放的剩余污泥，会产出渗出液和滤沥，而这些成分会严重影响土壤结构，以至于导致土质的结构发生改变，同时还会严重影响土地中微生物的正常生命活动，且有碍于植物根系的正常生长^[14]。

1.2 剩余污泥处理方法研究进展

1.2.1 物理降解

研究报道中对于剩余污泥的物理降解的概念是通过物理填埋的方法将剩余污泥埋入地下。不仅可以减少降解成本，而且填埋污泥体积大，降解效果明显^[15]。但其缺点在于留下的隐患较多：(1)埋入地下的剩余污泥产生的渗滤液和臭气会直接和地下水以及大气接触，从而导致其中的有毒有害物质散播^[16]。对于这一隐患的有效解决办法是在掩埋土壤中掺入防渗材料(HDPE)从而尽可能减少对于土壤和地下水的二次污染^[17]；(2)填埋场地资源有限，剩余污泥量的增加会导致填埋场地也随之减少^[18]；(3)限制污泥卫生填埋的另一条件是在于因远距离的运输需要较高经费。

根据国外某卫生部门的预计，某国家所设立的6500个卫生填埋场其中将有5000个被取缔^[19]，而这一决策将会在未来的几十年之内做出。欧洲自2000年开始，规定经过处理的污泥其中所包含的有机物质的含量要小于5%^[20]。污泥的卫生填埋并无法从根本上解决污泥所导致的环境污染，只能延长污染所形成的时间。正是因为这些条件使得物理法处理剩余污泥的进展受到各种制约。

1.2.2 化学降解

剩余污泥的化学降解是指通过向污泥中溶入具有较高氧化性的O₃来破坏细胞壁的组成成分，比如糖类和酯类等^[21]。O₃进一步氧化细胞壁破裂后释放出来的小分子化合物成为更小的小分子化合物甚至溶解状态。虽然 O₃的通入量与污泥处理效果成正比，增加通入量意味着更好的效果，但是过多的通入 O₃可能导致从细胞中产出的细胞质被充分氧化，以至影响接下来的厌氧消化的效果。另外剩余污泥溶解性能被臭氧处理有效提高，但也有弊端—它可使污泥中的一些有机物直接被氧化而产生二氧化碳^[22]。这一弊端导致污泥产CH₄量不能随COD去除效果的提高而得到显著提高^[23]。除此之外，由于O₃生产消耗资源比较多，从而使该处理办法运作资本比较高，并不能广泛应用于污泥处理之中。

1.2.3 生物降解

污泥中的微生物能够产出一种特殊的胞外酶，而这种酶能够使底物水解，生成能溶于水并且穿过细胞膜被细胞所吸收的小分子物质，从而使得污泥得到降解，这就是剩余污泥的生物降解^[24]。与此同时酶具有高效催化效果^[25]，进行外加酶技术处理污泥，主要分为以下两部分效果^[26]：第一，底物能够被胞外酶高效水解，生成能够溶于水并且穿过细胞膜被细胞所吸收；第二就是，我们可以简单的将污泥分解为两个部分：胞外多聚物和由包外多聚物包埋起来的各类微生物。碳水化合物和蛋白质杂合构成胞外多聚物的主要成分。酶的生物催化过程可以将蛋白质水解成肽链和氨基酸^[27]，伴随这一过程的同时，污泥中的固体也可以溶解形成小分子。

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