污泥处理生物强化技术

自20世纪90年代以来，中国在污泥处理处置方面取得了很大的进步。但是，污泥资源化处理处置仍然面临瓶颈，其主要原因是污泥中有机物和微生物包裹在活性絮凝体中，由此形成的物理和化学屏障是限制厌氧消化效率的重要因素。通过污泥预处理技术可有效提高细胞破壁和水解效果，最大限度地发掘出剩余污泥中的有机能源。目前全球研发的污泥预处理技术主要包括热处理、物理/机械预处理、化学预处理和生物预处理，其中生物预处理技术因其设备要求低、生态友好越来越受到人们的重视。
本书主要根据污泥预处理性质将各种方法分成物理/机械、化学、生物以及联合处理几大类，分别介绍了污泥预处理方法的特点、研究进展，着重介绍了嗜热菌强化水解技术的原理、特点、评价方法及应用前景。本书共分为7章。第1章主要介绍了目前污泥处理处置现状和相关的技术难点。第2章和第3章分别详细介绍了污泥物化处理技术和生物强化技术的原理与研究进展。第4章着重介绍了嗜热菌的生理生化特征及其溶胞特性，并分离和鉴定了三种嗜热溶胞菌。第5章介绍了嗜热菌强化污泥细胞溶胞过程及对后续发酵产酸过程的影响，揭示了嗜热菌预处理对污泥微生物群落演替的影响，并分析了嗜热菌主要的功能基因表达情况。第6章介绍了一些物化手段联合嗜热菌预处理剩余污泥，着重考察了其对污泥水解酸化过程的影响，并对其主要功能群落进行解析。第7章介绍了基于嗜热溶胞菌的预处理技术用于强化污泥水解产酸过程的前景与展望。本书可供从事污泥处理处置、废水处理等工作的工程技术人员、科研人员及管理人员参考，也可供高等学校环境科学与工程、市政工程及相关专业师生参阅。
本书第1章、第4章、第6章及第7章由哈尔滨学院杨春雪编著，第2章、第3章、第5章由青岛理工大学王羚编著，全书组织、统稿等工作由杨春雪完成，后续修改与完善工作由王羚完成。在本书完成之际，作者诚挚地感谢哈尔滨工业大学王爱杰教授为本书的研究工作提供的理论指导和技术支持。
由于本书编著者水平和时间有限，书中不足和疏漏之处在所难免，恳请相关领域专家和广大读者予以指正。

编著者 
2021年4月

杨春雪，哈尔滨学院，讲师，自2011年起从事固体废弃物有机质资源化处理处置方面的研究工作，对污泥厌氧消化体系的工艺原理、构建、参数调控及功能菌群分析具备丰富的知识背景和研究基础，并承担和参与各级相关研究课题。在工作中积累了丰富的运行经验，也对固体废弃物处理过程中存在的问题和相应的解决方案有了一定的认知和明晰。相关主要研究成果发表SCI论文20余篇，申请和授权国家发明专利4项。

本书在介绍国内外污泥处理处置现状及厌氧消化效率的重要瓶颈问题的前提下，以污泥预处理强化厌氧消化产生能源为主线，主要介绍了污泥结构和组成特征及污泥预处理技术发展概况，嗜热菌强化污泥水解预处理技术的应用前景，嗜热菌分离、溶胞性能、预处理剩余污泥及对发酵产酸功能微生物影响，以及嗜热菌强化污泥水解预处理技术与物化预处理技术耦合对后续污泥产酸发酵的效能的影响。
本书具有较强的技术性和针对性，旨在结合厌氧消化原理、功能微生物解析等手段，对生物预处理及其耦合技术在污泥资源化处理处置方面的应用提供相关参考，可供从事污泥处理处置及污染控制、废水处理等工作的工程技术人员、科研人员及管理人员参考，也可供高等学校环境科学与工程、市政工程及相关专业师生参阅。

第1章　概论 / 001
1.1　污泥现状	002
1.2　污泥分类	002
1.3　污泥处理处置技术	005
1.3.1　常用污泥处理处置技术	005
1.3.2　厌氧消化处理技术的优势及难点	007
参考文献	009

第2章　污泥物化处理技术 / 013
2.1　热/冻融预处理	014
2.1.1　低温热水解	014
2.1.2　高温热水解	015
2.1.3　冻融预处理	018
2.2　物理/机械预处理	018
2.2.1　超声处理	018
2.2.2　高压均质处理	019
2.2.3　微波辐射处理	020
2.3　化学预处理	021
2.3.1　氧化法 021
2.3.2　碱处理 022
2.3.3　酸处理 023
2.4　物化联合预处理技术 023
2.5　预处理技术能耗 024
参考文献 026

第3 章　污泥处理生物强化技术 / 035
3.1　厌氧生物预处理技术 037
3.2　好氧生物预处理技术 038
3.3　酶辅助预处理技术 039
3.4　嗜热溶胞菌预处理技术 041
参考文献 043

第4 章　嗜热菌的分离鉴定及溶胞性能分析 / 049
4.1　嗜热菌的分离及鉴定 051
4.1.1　嗜热菌的分离 051
4.1.2　嗜热菌的鉴定 055
4.1.3　嗜热菌的胞外酶活性分析 060
4.2　嗜热菌溶胞性能优化 063
4.2.1　菌株的选择 063
4.2.2　溶胞性能优化 064
4.2.3　溶胞性能验证 069
参考文献 072

第5 章 嗜热菌预处理剩余污泥及对发酵产酸功能微生物影响解析 / 075
5.1　嗜热菌投加比例的优化 077
5.1.1　微生物活性分析 077
5.1.2　溶解性有机物分析 078
5.1.3　水解阶段微生物群落结构分析 080
5.2　嗜热菌的功能基因解析 084
5.2.1　嗜热菌水解相关功能基因确定 084
5.2.2　嗜热菌溶解革兰氏阴性菌性能分析 086
5.2.3　嗜热菌溶解革兰氏阳性菌性能分析 087
5.2.4　嗜热菌溶解混合菌系性能分析 088
5.3　嗜热菌预处理对厌氧发酵产酸效能影响 089
5.3.1　溶解性有机物变化 089
5.3.2　短链脂肪酸产量及组分分析 091
5.3.3　生物预处理方法对剩余污泥短链脂肪酸积累比较分析 094
5.3.4　微生物群落结构分析 095
5.4　嗜热菌对剩余污泥微生物群落结构演替的影响 099
5.4.1　微生物群落差异性分析 099
5.4.2　微生物群落结构演替 100
5.4.3　关键功能基因分析 101
参考文献 104

第6 章 物化法强化嗜热菌预处理及短链脂肪酸积累与功能微生物关联机制 / 107
6.1　嗜热菌与其他预处理方法对剩余污泥水解酸化性能影响 108
6.1.1　预处理后溶解性有机物分析 108
6.1.2　短链脂肪酸的积累及组分分析 109
6.1.3　嗜热菌预处理与其他预处理方法比较 110
6.2　碱联合嗜热菌强化剩余污泥水解酸化及功能微生物解析 111
6.2.1　预处理后溶解性有机物分析及相关微生物水解酶活性分析 111
6.2.2　预处理后污泥溶解性有机物的荧光物质分析 112
6.2.3　发酵阶段溶解性有机物转化分析 118
6.2.4　发酵阶段微生物群落结构分析 120
6.3　超声联合嗜热菌强化剩余污泥水解酸化及功能微生物解析 125
6.3.1　预处理后溶解性有机物分析 125
6.3.2　预处理后污泥溶解性有机物的荧光物质分析 127
6.3.3　发酵阶段溶解性有机物转化分析 130
6.3.4　酸化阶段微生物群落结构分析 133
6.4　冻融联合嗜热菌强化剩余污泥水解酸化及功能微生物解析 138
6.4.1　预处理后溶解性有机物分析 138
6.4.2　预处理后污泥溶解性有机物的荧光物质分析 139
6.4.3　发酵阶段溶解性有机物转化分析 141
6.4.4　发酵阶段微生物群落结构分析 143
6.5　联合预处理性能比较分析 148
6.5.1　联合预处理对剩余污泥水解率的比较分析 148
6.5.2　联合预处理对剩余污泥酸化率的比较分析 150
6.5.3　联合预处理条件主要有机质释放与功能微生物关联解析 150
参考文献 152

第7 章　结论与趋势分析 / 157
7.1　结论及创新点 158
7.2　趋势分析 160
参考文献 161

附录　英文缩写对照表 / 162