过氧化钙促进剩余污泥发酵产酸并去除有害有机物的化学-生物协同作用机理研究

In wastewater treatment plants, waste activated sludge (WAS) is not only enriched in carbon source but also adsorbs a lot of hazardous substances, which should be removed when WAS is used for resource recovery. In order to produce high quality acidic fermentation liquor from WAS, pretreatment of WAS using calcium peroxide (CaO2) is developed in this proposal. The promotion of CaO2 for sludge slolubilization and acidification as well as the influencing factors will be studied comprehensively. Meanwhile, the overall removal of the hazardous organic compounds will be investigated. Furthermore, carbamazepine, the witness molecule for recalcitrant pharmaceuticals in sludge, is chosen as a model emerging contaminant, and its removal rate and degradation pathway will be explored. The optimal process conditions for both sludge fermentation and hazardous substance removal will be recommended. On the basis of the above study, effects of pH value and microaeration condition will be investigated; the reactive oxygen species, enzyme activity and microbial community structure during pretreatment of WAS using CaO2 will be analyzed; and finally, the synergetic chemical and biological mechanisms for enhancement of volatile fatty acid production and removal of hazardous organic compounds under the alkaline-microaerobic-advanced oxidation conditions formed by CaO2 hydrolysis will be revealed. The results of this study will provide cost-effective technology and the scientific support for the production of high quality acidic fermentation liquor from WAS. It has the theoretical and realistic implications for resource recovery from WAS.

污水厂剩余污泥既含有丰富的碳源又吸附了许多有害物质，因此在污泥资源化过程中应该同时注重去除其中的有害物质。本项目基于从剩余污泥中生产高质量酸性发酵液的目的，开发了过氧化钙预处理污泥技术，在研究过氧化钙促进污泥水解增溶和发酵产酸的作用及其影响因素的同时，考察污泥中有害有机物的总体去除情况，并选取指示性难降解药物卡马西平进行深入研究，考察其去除速率和降解程度，确定既有利于污泥发酵产酸又能够有效去除有害有机物的最佳工艺条件。在此基础上，通过对过氧化钙促进污泥水解发酵形成有机酸过程中pH值和微氧环境的影响进行考察，以及对活性氧自由基、微生物酶活性和微生物群落结构进行分析，揭示在过氧化钙水解形成的碱性-微氧-高级氧化环境下，污泥发酵产酸与有害有机物去除的化学-生物协同作用机制。预期研究成果可为从剩余污泥中生产高质量酸性发酵液提供经济有效的技术和科学依据，对于实现污泥资源化具有重要的理论和现实意义。

本项目开发了过氧化钙预处理剩余污泥技术，考察了不同过氧化钙添加量对污泥厌氧消化过程的影响、不同厌氧发酵温度条件下采用CaO2处理剩余污泥时的产酸差异，继而通过分子生物学技术在基因和功能层面探索CaO2及其相关水解产物的产酸机理，并开发了过氧化钙-微波联合预处理技术。此外，研究了过氧化钙对污泥厌氧发酵上清液中有毒有害有机污染物的去除情况并对其机制进行分析。针对污泥中微量有机污染物（TOrCs），研究利用新型中压紫外/过氧化钙技术（MP-UV/CaO2）对其去除作用，并同时研究该技术对促进污泥增溶减量和后续厌氧消化的影响。旨在通过处理技术和条件的优化，拓展CaO2处理技术在厌氧消化资源化领域的应用范围，推动我国污泥处理处置行业发展。.研究得出，CaO2投加量为0.2 g/gVSS时，总的挥发性短链脂肪酸（TSCFAs）的产量达到最大值为284 mgCOD/gVSS，是空白组的4.9倍。另外，CaO2可导致其他酸向乙酸的转化。在常温和中温条件下，CaO2可以显著促进TSCFAs的产生，然而，CaO2不适用于高温厌氧发酵，这主要是由于上清液中的高浓度游离氨和大量腐殖酸导致的。宏基因组分析表明，CaO2对脂肪酸生物合成通路（ko00061）各个分支上的基因均具有显著促进作用，可有效促进乙酰辅酶A羧化酶、脂肪酸合酶、水解酶、裂解酶及氧化还原酶等基因的相对丰度。CaO2和微波技术联合预处理最佳产甲烷条件为：CaO2（0.1 g/g VSS）/MW（480 W，2 min），此时的产甲烷量高出空白组80.2%，污泥总固体减量37.6%。另外，CaO2可以氧化去除污泥上清液中大部分难以生物降解的有机有害物质。羟基自由基是CaO2释放出的主要活性氧自由基并在氧化去除有机物中起到重要作用。MP-UV/CaO2协同技术可有效去除污泥中难降解卡马西平（CBZ）和扑米酮（PMD）。CaO2投加量、初始污泥浓度和pH会影响CBZ和PMD的去除效率。MP-UV-7 h/CaO2-0.2 g g-1-VSS是CBZ和PMD最优去除条件（去除率90%以上）。进一步研究发现MP-UV/CaO2可以去除污泥中难降解TOrCs同时促进污泥增溶减量和后续的厌氧消化产酸产甲烷作用。