暗发酵制氢处理污水颗粒污泥稳定性的关键技术研究

化石能源的枯竭，石油价格的飙升，温室效应问题的凸显，促使能将污水处理与清洁能源制备相结合的暗发酵制氢技术快速发展。暗发酵生物制氢是在不需要提供光能的厌氧条件下，厌氧发酵产氢细菌将有机物分解转化为氢气，有机污染物得到降解的同时产生清洁能源。产氢颗粒污泥的培养提高了暗发酵生物制氢系统效率和运行稳定性,然而颗粒污泥白化给系统运行带来很大危害，成为限制该技术推广的瓶颈之一。通过对产氢颗粒污泥白化过程中的颗粒理化特性和显微结构的研究可了解颗粒污泥白化的进程特征及颗粒理化性质的改变情况，通过对产氢颗粒污泥产生及白化过程中的微生物种群变化情况的研究可以了解颗粒白化对功能微生物的影响及其危害，而通过白化颗粒污泥恢复性试验研究则可以获得防止颗粒白化的工程控制参数。本研究提出颗粒污泥白化概念，可获得产氢颗粒污泥白化的机理和预防产氢颗粒污泥白化的工程控制策略，为暗发酵制氢处理污水的稳定运行提供技术保障。

随着化石能源的日益紧缺，温室效应导致的极端气候频繁出现以及水环境污染问题的加剧，使得能将污水处理和能源回收相结合的暗发酵生物制氢废水处理技术受到关注。课题以模拟糖蜜废水为进水，控制出水pH值在 4.0～4.5之间，温度控制在37ºC±1ºC，利用自制的厌氧内循环产氢反应器（Inner Cycle Anaerobic Biohydrogen Production Reactor，ICABHP)培养出粒径为0.1～2mm，最大粒径可达到3mm以上的产氢颗粒污泥。初期形成的颗粒为白色、乳白色近球形小颗粒，随着运行时间的延长，颗粒更加密实、圆滑，颜色转变为以米黄色和黄色为主。该产氢系统可长期稳定运行。COD总容积负荷达到54kg/m3.d-1时，COD去除率为15%左右，平均产气量为94L/d，氢气含量26%，产氢效率为0.3m3/kgCOD。采用16SrDNA的高通量测序方法比较好氧污泥、脱氮污泥、厌氧产甲烷污泥和产氢颗粒污泥内微生物种群情况。产氢颗粒污泥内微生物种类减少，比例最高的4个细菌门和1个古菌分别为：拟杆菌门(Bacteroidetes)、厚壁菌门（Firmicutes）、放线菌门（Actinobacteria）、变形菌门（Proteobacteria）和广古菌门（Euryarchaeota）。其中以拟杆菌门普雷沃氏菌科的未分类细菌(Unclassified Bacteria)最多，占到40%以上；然后是梳状菌属（Pectinatus）占20%以上；其次是产乙醇杆菌属（Ethanoligenens）占10%以上；巨型球菌属（Megasphaera）占5%以上。上述菌种都有利于发酵和产氢。在长期运行的产氢颗粒污泥内还检测出广古菌门的甲烷细菌属，这解释了产氢颗粒污泥系统在酸性条件下运行仍有甲烷气体产生的原因。课题提出了产氢颗粒污泥白化的概念。提出了预防和控制系统异常的措施：1）控制进水合理的营养物质，COD:N:P=1000:5:1；2）加强出水碱度和pH的监测，出水pH值严格控制在4.0～4.5之间；3）控制合理的容积负荷，避免系统酸化。适宜的总容积负荷为37～47kg/m3.d-1。进水COD浓度在8000mg/L以下时，总容积负荷可提高到54kg/m3.d-1。研究了在空气冲击、停运、污泥流失和酸化等异常工况下，产氢颗粒污泥系统的稳定性和恢复措施。