城市污泥與工農業有機廢棄物厭氧小分子碳源轉化原理與技術（簡體書）

本書在系統介紹城市污泥和工農業有機廢棄物處理處置現狀及其危害的前提下，論述了城市污泥和工農業有機廢棄物的理化特征及物化預處理組合技術，秸稈、菌糠、釀造廢棄物等作為外加碳源對城市污泥厭氧發酵小分子碳源轉化的影響，並結合厭氧微生物學原理、功能微生物群落解析等手段，力圖將理論與實踐、基本原理與應用有機結合，*後對小分子碳源在微生物電催化系統中的能源轉化方面的應用技術進行了論述。本書適合環境科學、環境工程、市政工程等學科和專業的碩士生、博士生、高校教師，以及相關學科科研人員閱讀參考。

周愛娟，太原理工大學，講師，自2007年起從事廢棄有機生物質資源化處理及產能方面的研究工作，對工藝系統構建、參數調控分析、厭氧體系工藝參數調控及功能菌群分析具備豐富的知識背景和研究基礎。目前，承擔和參與7項國家和省部級相關研究課題。申請者在工作中積累了豐富的運行經驗，也對固體廢棄物處理過程中存在的問題和相應的解決方案有了一定的認知和明晰。相關主要研究成果發表SCI和EI論文30餘篇，申請和授權國家發明專利7項。

本書以作者從事城市污泥多年的研究成果為基礎匯總而成

近年來，隨著工農業生產的快速發展和城市化進程的日益加速，我國的污水處理廠數目和污水處理量急劇增長。城市污泥是污水生物處理過程中的伴生產物，也是污水中污染物的濃縮體。若不加以處理和控制，將會對環境造成嚴重的二次污染。面對如此巨大的污泥產量和增長率，城市污泥處理理應是污水處理流程中的重要環節之一，然而實際上長期“重水輕泥”的觀念導致我國污水處理廠既無設施，也無預留地，高達80%的污泥只是脫水到一定含水率，交由第三方采用填埋或其他低端末端處理。污染物只是換了種存在狀態（從液相中遷移到固相），不僅沒有徹底消除，反而增加了處理難度。“脫水-填埋或不知去向”成為我國事實上的污泥處理處置路線。成為“負擔”的污泥處理既對污水處理廠形成運營壓力，也產生了更加嚴重的社會壓力，因此，如何合理地處理和處置污水處理過程中產生的污泥是我國亟待解決的問題。近年來，相比較傳統的填埋和焚燒處理，從城市污泥中最大限度地回收有用資源成為研究熱點。厭氧消化工藝是污泥穩定化、減量化和資源化首選的和最可行的途徑。污泥經厭氧消化後，不僅體積大大減少，其中的有機碳化合物又可轉化為高附加值小分子碳源或沼氣，為污水處理廠提供脫氮除磷碳源或能源。然而，城市污泥的組成特點造成其中有機質比例失衡，蛋白質含量偏高，碳氮比（C/N）僅為6左右，嚴重低於厭氧消化工藝所需C/N比（10～20）。如何改善污泥厭氧消化性能、提高污泥有機質降解率、縮短消化停留時間已經引起了國內外學者的普遍關注。我國是世界第一農業大國，農作物秸稈資源的擁有量也居世界首位。以農作物為原材料的食品工業也帶來很多的副產物，如菌糠、釀造廢棄物等。如果以工農業有機廢棄物為外碳源對城市污泥進行調質，可能對提高二者的資源化利用效率大有禆益。本書基於以上的研究思路和理念，將作者從事城市污泥多年的研究成果匯總起來。全書共分為五章：第1章主要介紹城市污泥的研究現狀；第2章介紹提高污泥溶胞和酸化性能的預處理方法；第3章以農業秸稈為外加碳源，介紹農業秸稈調質對污泥發酵產酸及蛋白質降解轉化的影響；第4章以菌糠為外加碳源，介紹其投加對污泥共發酵產酸性能的影響；第5章以釀造廢棄物為外加碳源，介紹了其與污泥共發酵的各項性能指標及變化情況。本書的部分內容來自筆者攻讀博士學位期間，協助導師王愛杰教授指導的碩士研究生郭澤衝、杜靜雯和康靈玲的部分試驗研究成果。王愛杰教授對筆者學術思想的形成給予了許多的幫助，在此表示衷心感謝。溫凱麗、劉芝宏、樊雅欣和魏瑤麗參與了全文的統稿和文字編輯，在此，對為此書的形成做出貢獻的每個人表示感謝。由於作者水平有限，書中難免存在缺點和不足，懇請廣大讀者批評指正。周愛娟2017年7月

第1章 緒論 1

1.1 城市污泥資源化途徑及研究現狀 1

1.1.1 城市污泥的基本組成分析 3

1.1.2 城市污泥厭氧消化產甲烷 4

1.1.3 城市污泥生產生物燃料5

1.1.4 利用微生物燃料電池產電 5

1.1.5 以污泥作為能源和原料生產水泥和建筑材料 7

1.2 城市污泥預處理研究現狀7

1.2.1 物理預處理 8

1.2.2 化學預處理 11

1.2.3 生物預處理 14

1.3 剩餘污泥產酸發酵的研究現狀 14

1.3.1 污泥厭氧處理的原理14

1.3.2 污泥厭氧發酵的影響因素 15

第2章 提高污泥溶胞和酸化性能的預處理方法及策略19

2.1 概述 19

2.2 超聲預處理 19

2.2.1 超聲頻率對污泥溶胞率及顆粒性有機物溶出的影響 19

2.2.2 超聲頻率對短鏈揮發酸產量及分布的影響 22

2.3 微生物衍生型生物表面活性劑 27

2.3.1 揮發酸產量和組成影響27

2.3.2 顆粒性有機物的水解29

2.3.3 胞外水解酶活性及揮發酸累積機理解析 31

2.3.4 鼠李糖脂的可行性及原位合成分析 33

2.4 植物衍生型生物表面活性劑35

2.4.1 剩餘污泥厭氧水解過程的強化作用 35

2.4.2 污泥胞外聚合物的剝離分析 37

2.4.3 揮發酸產量及組成影響39

2.4.4 皂苷促進污泥厭氧消化速率的機理解析 41

2.4.5 皂苷預處理的可行性分析 43

2.5 化學預處理 44

2.5.1 化學預處理對剩餘污泥厭氧水解的影響 44

2.5.2 不同化學預處理剩餘污泥厭氧發酵最佳產酸時間的確定 51

2.5.3 化學預處理對半連續流厭氧發酵產酸效能的影響 63

2.6 本章小結 67

第3章 農業秸稈調質對污泥發酵產酸及蛋白質降解轉化的影響 69

3.1 我國秸稈資源利用現狀和本章概述 69

3.1.1 我國秸稈資源利用現狀69

3.1.2 本章概述 69

3.2 玉米秸稈調質比例及調質形式的優化 70

3.2.1 污泥水解及有機質濃度變化規律 71

3.2.2 蛋白質和碳水化合物濃度變化規律 72

3.2.3 VFAs產量及組成結構變化規律 74

3.2.4 氨磷的釋放規律 77

3.3 污泥與玉米秸稈共發酵基質的厭氧消化動力學模型 78

3.3.1 模型的建立 78

3.3.2 模型參數求解 85

3.3.3 模型模擬結果分析與評價 88

3.3.4 模型應用 93

3.4 本章小結 97

第4章 菌糠投加對污泥共發酵產酸性能影響 99

4.1 雙孢菇菌糠處理與處置現狀99

4.2 基於UD-RSM法優化預處理污泥與菌糠共發酵產酸工藝參數 100

4.2.1 堿預處理污泥與菌糠共發酵產酸工藝參數優化 100

4.2.2 熱堿預處理污泥與菌糠共發酵產酸工藝參數優化 102

4.2.3 超聲預處理剩餘污泥與菌糠共發酵產酸工藝參數優化 109

4.3 污泥預處理對污泥與菌糠共發酵產酸性能提升的影響 112

4.3.1 溶解性有機質的變化112

4.3.2 揮發酸產量及其組成的變化 115

4.3.3 氨氮和磷的釋放規律122

4.3.4 水解發酵過程中水解酶活性的變化 123

4.3.5 污泥減量化程度分析125

4.4 不同共發酵體系產揮發酸經濟性分析 127

4.5 本章小結 128

第5章 釀造廢棄物投加對污泥共發酵產酸性能影響130

5.1 概述 130

5.2 醋糟調質對剩餘污泥發酵產酸及蛋白質降解的影響 131

5.2.1 醋糟性質 131

5.2.2 不同預處理醋糟對污泥發酵水解過程的影響 134

5.2.3 不同預處理醋糟對污泥發酵產酸過程的影響 137

5.2.4 污泥發酵過程甲烷累積產量的變化 142

5.2.5 污泥發酵過程中無機鹽的釋放 144

5.3 釀造廢棄物調質對剩餘污泥發酵產酸及蛋白質降解的影響 146

5.3.1 釀造廢棄物組分146

5.3.2 不同釀造廢棄物對污泥發酵水解過程的影響 147

5.3.3 不同釀造廢棄物對污泥發酵產酸過程的影響 151

5.3.4 污泥發酵過程甲烷累積產量的變化 155

5.3.5 污泥發酵過程中無機鹽的釋放 156

5.4 本章小結 157

參考文獻 160