酒精废水培养浮萍的影响因素及浮萍产沼气优化研究

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近几十年,世界各国,尤其中国等发展中国家,面临的环境污染和资源短缺(水、食品和能源)问题越来越严峻。其中,酒精生产行业产生了大量的废水,此类废水中含有丰富的营养物质(蛋白质、无机盐等),经过厌氧处理、好氧处理、厌氧与好氧相结合等技术处理后,虽然有机污染物得到一定的去除,但废水中仍存在一定量的营养类污染物(例如N、P)。如果未经进一步处理排入自然水体,将会造成严重的水体污染(如水体富营养化),进而影响环境和人类健康。而浮萍作为一种水生植物,可利用废水中的营养物质进行生物量积累,在净化废水的同时,采收的浮萍生物质可通过厌氧生物技术转化为沼气能源,具有一定的环境与经济效益。本文以浮萍为研究对象,进行酒精废水中生长的影响因素和其厌氧消化的条件研究。首先,在实验室(光照培养箱)条件下,进行酒精废水培养浮萍的可行性研究,确定浮萍生长的适宜稀释倍数;研究温度、pH、光照强度、CO2通入方式对浮萍生物量积累的影响,确定生长的最佳条件。并在室外(周转箱)条件下,研究接种密度和采收周期对浮萍生长、浮萍成分以及对废水的处理效果。其次,将采收的浮萍和剩余污泥作为底物,进行厌氧消化产沼气研究,确定产沼气的最佳条件,以期为工程应用提供理论指导。主要研究结果有:1、当稀释酒精废水10倍时,浮萍生物量增大为0.60 g,相对生长率(RGR)为0.041g/(g·d);高于湖水组的0.032 g/(g·d),低于Hoagland培养液组的0.060 g/(g·d),表明酒精废水可以培养浮萍。在实验室条件下,浮萍生物量积累的最适条件为:温度20.0℃,pH为7.00,光照为4000 lux,CO2通入方式为两天通一次、一次1min;通过多项式回归分析可知,获得浮萍最大增长量的适宜温度、pH和光照强度分别为19.3℃、6.73和4366 lux。2、在室外培养条件下,确定了接种密度为149 g/m2时,能够获得浮萍最大相对生长率、C含量、N含量和蛋白质含量(以干重计),分别为0.091 g/(g·d)、417.60 mg/g、45.60 mg/g和285.00 mg/g;浮萍对废水中TN、TP、NH4+-N、SCOD的去除效率相差不大,最大去除率分别为49%、79%、82%、38%;确定了采收周期为3天时,所得浮萍RGR最大,为0.088 g/(g·d),结束生物量比初始生物量增加了1倍,高于实验室条件下的浮萍增量。表明室外培养进一步促进了浮萍生物量的积累;而且浮萍除吸收利用废水中的N、P等营养元素外,还可吸附、去除其中的金属元素,更好的净化水体,。3、浮萍单独厌氧消化的底物产气量为157 mL/gVS,表明浮萍具有生产沼气的能力;将其与剩余污泥混合厌氧消化,其总产气量实际值为2963 mL,比计算值2669 mL提升了11%,且甲烷占比为56.93%,表明两者存在互补优势,混合后可以提高系统的产沼气能力。浮萍经热碱处理后厌氧消化的甲烷产量为1817 mL,比未处理组增大8%,且预处理组前18天的总产气量高于未处理组;18天后,其日产气量低于未处理组,表明浮萍经过预处理后,更多可利用的物质在反应前期被利用产气,加速了产气速度,提高了甲烷产量。浮萍与剩余污泥混合厌氧消化时,接种物与底物最适比为1:1,产气量为169 m L/gVS,总沼气产量、总甲烷产量及甲烷占沼气百分比均最优,分别为3309 mL、1883 mL和56.93%,TS、VS去除率最大,分别为26.44%、36.63%。4、pH、VFAS、NH4+-N、SCOD、营养物质浓度及酶活等指标的测定分析,表明浮萍与剩余污泥混合厌氧消化,混合体系在水解酸化阶段pH值迅速降低后可以较快回升,且适宜产甲烷的pH(6.50-7.50)时间较长;整个反应过程,NH4+-N浓度处于400 mg/L范围内,并未出现氨抑制现象;淀粉酶活在水解阶段活性较强,水解碳水化合物产生糖类,用于后续发酵利用;脱氢酶活受pH影响,在水解阶段和产甲烷阶段活性均较强,此阶段微生物活性较强且营养物质充足。5、浮萍与剩余污泥在5 L的小试反应器中混合厌氧消化,在5 gVS/(L·d)负荷下运行时,最高的日产甲烷量和日产沼气量分别为2569 mL和4678 mL。
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