剩余污泥碱性厌氧发酵混合菌系构建与性能
发布时间：2020-07-30 18:59
【摘要】：污泥既是污水处理厂的副产物,同时也是一种可利用性较高的二次资源。然而,随着城市污泥产量的不断增加,污泥处理处置问题迫在眉睫。污泥中含有丰富的有机物以及氮、磷等营养元素,其中部分有机物经厌氧消化可产生挥发性脂肪酸(volatile fatty acids,VFAs),VFAs是污水处理厂生物营养物(氮和磷)去除工艺中最适宜的有机碳源。因此,利用污泥厌氧消化过程的产酸阶段获得VFAs是使污泥实现资源化利用的有效途径之一。本研究探讨了不同p H发酵条件下剩余污泥产VFAs的状况及细菌菌群结构,确定了剩余污泥发酵产VFAs的最佳p H条件,在该发酵条件下筛选产蛋白酶能力较高的菌株,并构建剩余污泥碱性厌氧发酵产蛋白酶混合菌系。分析了产蛋白酶混合菌系对剩余污泥碱性厌氧发酵过程中有机物及氮磷等溶出的影响。利用Mi Seq高通量测序揭示不同发酵体系中细菌菌群结构与有机物及氮磷溶出的关系。本研究为剩余污泥碱性厌氧发酵的快速启动和稳定运行开拓了新思路,同时对于提高剩余污泥的资源化、减量化、稳定化程度具有重要的意义。pH对剩余污泥厌氧发酵过程中VFAs及氮磷溶出影响研究表明,碱性发酵条件更有利于VFAs溶出,且p H 10.0条件下VFAs及NH4+-N溶出量均最高,而酸性发酵条件更有利于PO43--P的溶出。DGGE分析表明,不同p H条件下剩余污泥厌氧发酵过程中微生物菌群结构不同,优势菌群主要为Pseudomonas sp.,Clostridium sp.,Variovorax sp.和uncultured bacteria。从碱性厌氧发酵剩余污泥中最终筛选获得2株产蛋白酶活力较高的耐碱细菌HIT-01菌株和HIT-02菌株,经鉴定分别为枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)和芽孢杆菌属细菌(Bacillus sp.),其最适产蛋白酶发酵条件均相同。静态运行模式研究表明,接种产蛋白酶菌株HIT-01或/和HIT-02,均能够加速剩余污泥碱性厌氧发酵过程中VFAs的累积。DGGE分析表明,HIT-01菌株和HIT-02菌株逐渐成为碱性厌氧发酵剩余污泥中的优势菌群并成功定殖。依据发酵体系中各种有机物及氮磷溶出规律,构建了剩余污泥碱性厌氧发酵产蛋白酶混合菌系,并确定了其最适产酸发酵条件。该发酵条件可缩短发酵启动时间2 d,发酵体系中各有机物浓度均可在碱性发酵第8 d达到峰值,其中可溶性蛋白质和VFAs浓度所占SCOD总量比例分别为29.87%和44.54%。通过半连续流运行模式研究表明,反应器JWG-G(接种HIT-01菌株和HIT-02菌株)中各有机物浓度均最高,其SCOD(t-N-P)分别为反应器JWG-0、JWG-A、JWG-E(接种HIT-01菌株)和JWG-F(接种HIT-02菌株)的125.22、1.44、1.31和1.19倍,表明在碱性条件下同时接种HIT-01菌株和HIT-02菌株更有益于剩余污泥发酵过程中有机物的溶出。反应器JWG-E、JWG-F和JWG-G中VFAs平均浓度分别是反应器JWG-A中VFAs平均浓度的1.21、1.14和1.46倍,分别是反应器JWG-0中VFAs平均浓度的57.61、53.90和69.30倍,表明VFAs的累积不仅受剩余污泥发酵条件的影响,同时也受剩余污泥中微生物菌群的影响。各反应器中剩余污泥的CST大小顺序为:JWG-AJWG-FJWG-EJWG-GJWG-0,说明剩余污泥中的微生物菌群结构可能影响着污泥的脱水性能。MiSeq高通量测序分析表明,6个反应器中微生物菌群主要可以分为非碱性条件分支(JWG-S和JWG-0)、单纯碱性条件分支(JWG-A)和接种产蛋白酶菌种碱性条件分支(JWG-E、JWG-F和JWG-G)。HIT-01菌株和HIT-02菌株能够影响剩余污泥中微生物菌群组成,6个反应器中微生物菌群最明显的差异在于Bacillus、Proteiniclasticum、Peptostreptococcaceae和Dechloromonas在各自剩余污泥样品微生物菌群中所占比例不同。接种产蛋白酶菌株的反应器中,Bacillus均为最具优势的细菌菌群,表明HIT-01菌株和HIT-02菌株能够与剩余污泥中的土著微生物进行竞争且成功定殖,并逐渐成为碱性厌氧发酵剩余污泥中的最具优势细菌菌群,从而更好地发挥其在碱性条件下的生物降解功能,以利于VFAs的产生。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X703;X172
【图文】：
为储泥区主要用于储存Ⅰ区溢流出的剩余污泥。发酵温度由反应器的外层水域系统控制。semi-CSTR 的示意图如图2-1 所示。由于整个试验过程中进泥量较小，因此采用半连续流运行模式，每隔 3h 进一次剩余污泥。使用 2 mol/L 的 NaOH 溶液将 22.8 L 新鲜剩余污泥调节至 pH 10.0，将其平均分配后一次投加至 JWG-A、JWG-E、JWG-F 和 JWG-G 4 个反应器的发酵区，使剩余污泥的性质、浓度及颗粒大小一致。向 JWG-0 反应器发酵区一次投加 5.7 L 未调节 pH 值的新鲜剩余污泥。以 5%的接种量将菌体浓度 OD600均为 0.8 的产蛋白酶菌株 HIT-01 和 HIT-02 的作为接种物，分别接种至 JWG-E和 JWG-F 反应器中，即每个反应器中接种相应产蛋白酶菌株接种物 0.3 L。JWG-G 反应器则分别以 2.5%的接种量将产蛋白酶菌株 HIT-01 和 HIT-02 接种物进行接种，即分别接种产蛋白酶菌株 HIT-01 和 HIT-02 接种物 0.15 L。JWG-0和 JWG-A 反应器为对照，不接种任何产蛋白酶菌株，但需要加入 0.3 L 无菌生理盐水以保证各反应器中剩余污泥的浓度及体积一致。5
图 3-7 Nested-PCR 扩增结果Fig. 3-7 Nested-PCR amplificationM. DL2000 Marker; 1. 原始剩余污泥; 2-10. 0-8 号反应瓶中剩余污泥. DL2000 Marker; 1. original sludge; 2-10. ES of the flasks 0 to 8 collected, respecti.2 DGGE 条件优化
经多次 DGGE 分析，表明纯化后的 PCR 产物 DGGE 条带分离效果要明显优于采用 PCR 产物和琼脂糖凝胶回收产物直接进行 DGGE 分析的分离效果，DGGE条带相对较为清晰（图3-8）。因此，后续试验均采用纯化后的PCR产物作为DGGE分析的进样样品。
本文编号：2775947
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X703;X172
【图文】：
为储泥区主要用于储存Ⅰ区溢流出的剩余污泥。发酵温度由反应器的外层水域系统控制。semi-CSTR 的示意图如图2-1 所示。由于整个试验过程中进泥量较小，因此采用半连续流运行模式，每隔 3h 进一次剩余污泥。使用 2 mol/L 的 NaOH 溶液将 22.8 L 新鲜剩余污泥调节至 pH 10.0，将其平均分配后一次投加至 JWG-A、JWG-E、JWG-F 和 JWG-G 4 个反应器的发酵区，使剩余污泥的性质、浓度及颗粒大小一致。向 JWG-0 反应器发酵区一次投加 5.7 L 未调节 pH 值的新鲜剩余污泥。以 5%的接种量将菌体浓度 OD600均为 0.8 的产蛋白酶菌株 HIT-01 和 HIT-02 的作为接种物，分别接种至 JWG-E和 JWG-F 反应器中，即每个反应器中接种相应产蛋白酶菌株接种物 0.3 L。JWG-G 反应器则分别以 2.5%的接种量将产蛋白酶菌株 HIT-01 和 HIT-02 接种物进行接种，即分别接种产蛋白酶菌株 HIT-01 和 HIT-02 接种物 0.15 L。JWG-0和 JWG-A 反应器为对照，不接种任何产蛋白酶菌株，但需要加入 0.3 L 无菌生理盐水以保证各反应器中剩余污泥的浓度及体积一致。5
图 3-7 Nested-PCR 扩增结果Fig. 3-7 Nested-PCR amplificationM. DL2000 Marker; 1. 原始剩余污泥; 2-10. 0-8 号反应瓶中剩余污泥. DL2000 Marker; 1. original sludge; 2-10. ES of the flasks 0 to 8 collected, respecti.2 DGGE 条件优化
经多次 DGGE 分析，表明纯化后的 PCR 产物 DGGE 条带分离效果要明显优于采用 PCR 产物和琼脂糖凝胶回收产物直接进行 DGGE 分析的分离效果，DGGE条带相对较为清晰（图3-8）。因此，后续试验均采用纯化后的PCR产物作为DGGE分析的进样样品。
本文编号：2775947
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