胞外聚合物促进污泥厌氧消化产甲烷性能及机制研究

发布时间：2020-07-29 22:02

【摘要】：剩余污泥是污水处理过程中的附属产物。随着污水处理能力的显著提高,剩余污泥的产量也随之迅速增加。厌氧消化技术具有减少污泥体积、稳定污泥性质、提高污泥脱水效果及回收清洁能源(甲烷)等优点,被广泛运用于剩余污泥的处理处置。电子传递效率是决定剩余污泥厌氧消化产甲烷性能的重要因素之一。虽然添加固体导电物质可有效促进种间直接电子传递,但其价格较为昂贵,而且容易造成二次污染,不适合大规模的推广应用。胞外聚合物(Extracellular Polymer Substances,EPS)是微生物自身分泌的物质的总称,含有细胞色素C及腐殖质等氧化还原活性物质,具有促进种间电子传递的潜能。目前尚未有相关研究探究EPS添加对污泥厌氧消化产甲烷性能的影响。本论文以剩余污泥为研究对象,选取EPS为外源氧化还原活性物质,探究EPS添加对污泥厌氧消化产甲烷性能的影响,阐明这个过程中EPS的角色和功能,并将其应用于电发酵过程。主要研究内容和结果如下:(1)EPS添加能够显著提高污泥厌氧消化系统产甲烷性能,甲烷产生量比不添加EPS的反应器提高了82.9%。电化学的实验结果表明,EPS的添加能够增加反应体系中核黄素和细胞色素C的含量及降低电荷传递电阻,提高电子转移的能力。此外,EPS的添加能够促进反应体系中Hydrogenophag和Methanosaeta菌属丰度的增加,提高系统利用氢气产甲烷的性能。(2)EPS的添加能够促进污泥厌氧消化增溶水解过程,从而导致可溶性蛋白质及蛋白酶的活性分别提高了42.8%和8.9%;在产酸阶段,EPS的添加促进不同底物(氨基酸及葡萄糖)向乙酸及丙酸的转化;此外,EPS的添加能影响乙酸型代谢过程中乙酸转化成乙酰磷酸盐、乙酸转化成乙酰辅酶A以及乙酰辅酶A转化成5-甲基-THMPT的过程,而且乙酸型产甲烷与氢型产甲烷过程中功能基因mcrA的丰度显著提高。(3)在电发酵系统中,添加EPS能够促进电发酵系统的产甲烷性能。最适的电势及EPS投加量分别为-0.8 V及0.5 g/L。电化学实验结果表明,EPS的添加导致电发酵反应器具有更高的氧化还原活性物质浓度及更大的电容,这有利于促进种间电子传递。微生物群落分析结果表明,EPS的添加能够增加阳极生物膜的厚度,且增加反应体系中Methanosarcina、Clostridium和Syntrophobacter的相对丰度。此外,EPS添加导致电发酵系统的甲烷能效及经济效益分别提高1.55倍及1.68倍。总之,EPS添加能够增强厌氧消化体系的电化学活性,显著促进污泥厌氧发酵产甲烷过程。这将为改善污泥厌氧消化产甲烷性能提供新的思路,有利于厌氧消化技术的推广应用。
【学位授予单位】：福建农林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X703;S216.4
【图文】：

电子传递,种间氢转移,导电物质,细胞色素

1-2 产甲烷环境中的种间电子传递机制（a.种间氢转移；b.导电菌毛介导电子传递；c.细胞色素 C 介导电子传递；d.导电物质介导电子传递）[55]igure 1-2 Interspecies electron transfer mechanisms in methanogenic environments (a. IET viaydrogen; b. DIET via conductive pili; c. DIET via C-cyts; d. DIET via conductive materials)[55（1）直接接触直接接触机制是指由细胞色素 C 或纳米导线介导的电子传递过程（图 1-1 c）。细胞色素 C 介导的直接接触电子传递是指当微生物与胞外电子受体距离近时，微生物将电子通过细胞外膜上的细胞色素 C 直接传递给电子受体的过[56-58]。2010 年， Summer 等对 Geobacter metallireducens 和 Geobactlfurreducens 的互营体系进行了研究。研究结果表明，互营体系中的种间电子递过程是通过 G. sulfurreducens 的导电细胞色素 C 实现[59]。而纳米导线（pili）生长在微生物周围且具有导电性能的纤毛类似物。微生物可以通过纳米导线将子直接传递给胞外的电子受体，从而实现长距离的电子传递[60-63]。2005 年，guera 等利用导电探针原子力显微镜证实 G. sulfurreducens 的纳米导线具有很

扫描图,三维荧光,扫描图,腐殖酸

质谱是表征激发波长、发射波长及荧光强度的三维矩不同的区域代表不同的物质组成。如图 2-1 所示，表的是：蛋白质、蛋白质、富里酸、可溶性微生出的 EPS 做三维荧光扫描分析，实验结果显示，光强度，Ex/Em 为 390/450nm 处是腐殖酸，Ex/Em物[98]，这说明 EPS 中含有富里酸和腐殖酸。使用与 Lowry 法对提取出的 EPS 进行可溶性蛋白质、验结果表明，可溶性蛋白的浓度为 296.42±2.35 mgmg/L，腐殖酸的浓度为 98.63±2.56 mg/L。这与 C。

物种丰度,热图,聚类

图 2-8 属水平物种丰度聚类热图（a.底物+接种泥反应器；b.底物+接种泥+EPS 反应器）Figure 2-8 Species abundance clustering heat maps on genus lever. substrate + inoculation sludge reactor; b. substrate + inoculation sludge + EPS react结PS 添加能够显著提高污泥厌氧消化系统产甲烷性能，甲烷产生量比不反应器提高了 82.9%。电化学的实验结果表明，EPS 的添加能够增加核黄素和细胞色素 C 的含量及降低电荷传递电阻，提高电子转移的能EPS 的添加能够促进反应体系中 Hydrogenophag 和 Methanosaeta 菌属，提高系统利用氢气产甲烷的性能。

【参考文献】