利用剩余污泥厌氧发酵液调控合成SCFAs-LDH作为生物反硝化缓释碳源

Shortage of carbon source is the key problem for bio nitrogen removal. Anaerobic fermentation liquor of waste activated sludge (WAS) can be used as carbon source, but with import of high concentration of ammonia nitrogen and toxicity of metal ions, as well as low carbon source utilization efficiency. The aim of this project was to study the in situ synthesis of layered double hydroxide intercalated with short chain fatty acids (SCFAs-LDH) with well performance of control release to withdraw the short chain fatty acids (SCFAs) in the anaerobic fermentation liquor of WAS. The mechanism of competitive intercalation of different anions is to be studied. The effect of chemical composition, structure features and size of SCFAs-LDH and the pH, temperature of the release media on the SCFAs release are to be tested, and the mechanism of control release is also to be studied through release kinetics analysis. Biodenitrification system will be set up with balance of carbon supply and utilization, so that the carbon source utilization efficiency can be increased with high bio nitrogen removal efficient. The results could be applied in improvement of bio nitrogen removal for municipal wastewater, ground water and solid waste leachate with low COD/TKN ratio.

碳源不足是制约污水厂生物脱氮的关键因素，剩余污泥厌氧发酵液可作为生物反硝化过程的碳源，但存在氨氮浓度高、富含重金属以及二次污染及碳源利用率较低等问题。课题以剩余污泥厌氧发酵液体系为研究对象，以提取其中的短链脂肪酸调控合成可控释放的固体缓释碳源材料SCFAs-LDH为主要目标，通过对发酵液pH、温度等不同合成条件下固体产物的组成分析和结构表征，探究不同有机和无机阴离子在合成缓释碳源材料过程中的竞争机制，解析剩余污泥厌氧发酵液中调控合成SCFAs-LDH的物理化学原理；通过对合成的SCFAs-LDH在不同化学组成、结构特征、粒径和反应介质条件下的缓释动力学分析，研究影响其缓释性能的因素，揭示SCFAs-LDH中有机酸根离子的控释机理；以生物反硝化过程为对象，通过构建碳源释放、利用之间的平衡，提高碳源利用效率和生物脱氮效率。成果可用于提高城市污水、地下水、渗滤液的生物脱氮效率。

当前，我国的污水处理厂普遍存在碳源不足的问题。同时，污水厂又产生大量的剩余污泥。利用剩余污泥进行厌氧发酵，产生的短链脂肪酸可以作为反硝化碳源。但是，发酵液中含有高浓度的氨氮，导致碳源的利用效率降低。.在国家自然科学基金的资助下，本课题创新性地提出，在发酵液中原位合成SCFAs-LDH，用于提取其中的短链脂肪酸，作为反硝化过程所需的缓释碳源，从而提高碳源的利用效率。课题研究了利用不同短链脂肪酸合成LDH的可行性和合成条件，并对合成的LDH进行了结构表征，结果表明乙酸、丙酸、丁酸均可插层进入LDH层间；考察了发酵液中共存阴离子对原位合成SCFAs-LDH的干扰，结果表明，发酵液中广泛存在的碳酸根、磷酸根会对SCFAs-LDH合成造成很大影响，通过加钙预处理可以有效提高LDH对短链脂肪酸的提取效率；研究了SCFAs-LDH碳源的释放机理，提出可以通过调控粒径和金属种类，提高缓释性能；将SCFAs-LDH用于反硝化脱氮，结果表明，SCFAs-LDH的碳源利用效率可高达58.1%，远高于污水厂普遍使用的乙酸钠的利用效率（30.3%）。.课题研究成果，对高效利用剩余污泥发酵液中的短链脂肪酸，作为反硝化脱氮过程的缓释碳源，提高污水脱氮效率，降低污水处理成本，实现污泥资源化利用，具有重要的指导意义。