城市污泥生物乾化過程的微生物產水與脫水機制

《城市污泥生物乾化過程的微生物產水與脫水機制》是蔡璐為項目負責人，寧波大學為依託單位的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：城市污泥生物乾化過程的微生物產水與脫水機制
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：蔡璐
• 依託單位：寧波大學

項目摘要

機械脫水後的城市污泥含水率仍高達80%～85%，極高的含水率與大量結合水增加了污泥處理處置難度並顯著提高了成本。對脫水城市污泥進行生物乾化，可利用生物熱能快速脫除水分，減少污泥污染。只有從本質上量化各階段的微生物產水、脫水能力，明確水分的轉化和遷移過程，才能進一步最佳化乾化策略，更高效地實現污泥減量化與資源化。本項目的研究目標是根據城市污泥生物乾化各階段微生物對有機質的降解、水分形態的改變和系統的熱量分配，研究堆體的產水、脫水機制，揭示微生物降解有機質的產水與產熱過程，明確結合水活化的影響因素，建立自由水蒸發的能量平衡方程，最終掌握污泥生物乾化水分的轉化和遷移機理，並基於水熱平衡方程提高生物乾化效率。

結題摘要

生物乾化是一種經濟節能的有機廢棄物處理方式，通過生物降解有機質產生的熱量脫除廢棄物中的水分。然而該技術仍存在著因結合水含量過多造成的脫水局限性。 本研究探索了生物乾化的水分蒸發、產水、有機質降解以及微生物群落之間的關係，基於水熱平衡角度研究了乾化效果，並掌握了不同階段的脫水量、污泥形態變化、胞外聚合物以及自由水釋放的過程。 生物乾化過程的水分蒸發量、產水量及有機質降解量分別為412.9 g kg−1 sewage sludge bio-drying material (SSBM，生物乾化基質)，65.0 g kg−1 SSBM和 70.2 g kg−1 SSBM。稀疏曲線和多樣性指數表明第2天起，堆體溫度劇烈升高后，細菌多樣性驟降，但與此同時，水分蒸發量明顯增加。當堆體進入降溫期時，細菌多樣性回升。在高溫期，Acinetobacter和Bacillus是主導菌，其間，水分蒸發量、產水量和有機質降解量均達到峰值。當堆體在初次高溫期後期進行第一次勻翻，並在之後的10天進行兩次勻翻，可使單位質量的生物乾化物料產生較多熱量，達1.641 MJ kg-1 SSBM，此時，用於水分蒸發的熱利用率達58.1%。在初次高溫期，總脫水量的62%水分被脫除。介電常數測定表明，高溫期的堆體溫度維持在50°C以上時，物料中大量的結合水釋放為自由水。經生物乾化後，掃描電鏡觀測下的堆體物料多孔且呈分層片狀。三維螢光光譜分析表明胞外聚合物中的芳香族蛋白和可溶性微生物副產物在初次高溫期顯著降解；初次高溫期是關鍵的胞外聚合物組分降解階段，色氨酸和酪氨酸的高效降解發生於初次高溫期。在生物乾化中發揮關鍵作用的功能微生物主要來自Firmicutes, Actinobacteria和Proteobacteria門，它們富含參與胺基酸轉運代謝的相關基因，與色氨酸、酪氨酸降解有關的微生物同時也是生物乾化基質中的生態優勢菌。