剩余污泥高温厌氧产酸与生物可降解塑料合成的研究

发布时间：2017-05-20 16:11

  本文关键词：剩余污泥高温厌氧产酸与生物可降解塑料合成的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：本文以实现市政污水处理厂剩余污泥的减量化和资源化为目标,通过小试与中试试验,对剩余污泥厌氧产酸过程生产挥发性有机酸(VFAs)和筛选驯化以上述VFAs为原料的合成生物可降解塑料——聚羟基脂肪酸酯(PHAs)菌群进行了深入研究。在剩余污泥厌氧水解酸化的研究中,全面对比了中温和高温厌氧产酸的优劣,揭示了厌氧水解酸化过程中大分子有机物降解的规律与特点,明确了高温厌氧发酵的优势,并获得了相关最优运行参数。随后,运用碳稳定同位素法对碳水化合物和蛋白质厌氧产酸种类进行了定性识别以及产生各类VFAs贡献率的研究。针对PHAs合成过程对VFAs浓度和种类的不同要求,提出了相应的调控策略以满足定向生产VFAs的需求。采用454焦磷酸测序分析厌氧水解酸化过程中微生物群落结构的变化,结果表明:中温和高温微生物群落存在显著差异,参与中温发酵产酸的微生物不具备明显的特征性,其菌属结构与原始污泥(即未进行厌氧水解污泥)的相似性较高;而高温发酵可以形成具有自身特色的优势菌群,这些特有优势菌群的存在是其产生更多VFAs的原因。采用冗余分析(RDA)考察环境因子对生物群落的影响,发现正丁酸(n-HBu)、水力停留时间(HRT)和反应温度(T)对菌群结构影响最为显著。通过调节T、HRT和FVFAs负荷三个参数,可使得反应器内富集大量产VFAs菌,以及特有的嗜温发酵菌,同时破坏污泥絮体原有结构并改善污泥脱水性能。利用低碳氮比培养基在好氧瞬时供料(ADF)模式下获得最高PHAs积累率(w PHA)的菌群M150。试验结果表明该菌群利用污泥水解液在小试和中试获得的最大w PHA分别为23.47%和59.46%。鉴于w PHA不适于评估有限碳源下的PHAs合成过程,提出了更全面的以PHAs合成速率(υPHA)和PHAs产率系数(YPHA/SCOD)共同作为PHAs合成效果评估条件的方法。污泥厌氧产酸与PHAs合成组合技术可降低污泥处理成本。
【关键词】：高温厌氧水解酸化(TAHA) 剩余污泥(WAS) 挥发性有机酸(VFAs) 聚羟基脂肪酸酯(PHAs) PHAs合成速率(υPHA)
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ320.7;X703
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-10
• 第1章 引言10-23
• 1.1 选题背景10-11
• 1.2 剩余污泥厌氧水解酸化技术国内外研究现状11-17
• 1.2.1 剩余污泥厌氧水解酸化原理11-12
• 1.2.2 剩余污泥厌氧水解酸化过程的影响因素12-17
• 1.3 利用“废弃碳源”合成PHAs国内外研究现状17-20
• 1.3.1 微生物合成PHAs主要途径17-18
• 1.3.2“废弃碳源”合成PHAs现状18-20
• 1.4 剩余污泥高温厌氧产酸与PHAs合成组合技术尚需完善的工作20
• 1.5 研究目的、研究内容与技术路线20-22
• 1.5.1 研究目的20-21
• 1.5.2 研究内容21-22
• 1.6 技术路线22-23
• 第2章 试验装置和检测方法23-35
• 2.1 试验装置23-26
• 2.1.1 污泥水解小试反应器23
• 2.1.2 污泥水解中试反应器23-24
• 2.1.3 PHAs合成中试装置24-26
• 2.2 污泥来源26
• 2.3 检测项目及其分析方法26-35
• 2.3.1 蛋白质、腐殖酸、碳水化合物和脂肪的测定26-28
• 2.3.2 挥发性有机酸（ VFAs）的测定28-30
• 2.3.3 生物气测定30-31
• 2.3.4 污泥粒径分布31
• 2.3.5 稳定同位素碳13检测31
• 2.3.6 PHAs的测定[82, 83]31-33
• 2.3.7 菌体干重浓度 (CDW)33
• 2.3.8 厌氧微生物群落结构测定33
• 2.3.9 纤维素酶活性测定33
• 2.3.10 金属离子测定33
• 2.3.11 其它检测项目及其分析方法33-35
• 第3章 剩余污泥厌氧水解酸化小试研究35-71
• 3.1 厌氧产酸反应最优条件的筛选35-44
• 3.1.1 试验用泥特性35-36
• 3.1.2 试验方法36
• 3.1.3 试验结果与分析36-44
• 3.2 高温厌氧水解酸化优势分析44-56
• 3.2.1 试验用泥特性44-45
• 3.2.2 试验装置与方法45
• 3.2.3 试验结果与分析45-56
• 3.3 生物产酸潜能试验 (BAP)与稳定同位素示踪试验56-66
• 3.3.1 试验用泥特性56
• 3.3.2 试验装置与方法56-58
• 3.3.3 试验结果与分析58-66
• 3.4 高温厌氧连续试验66-69
• 3.4.1 试验用泥特性66
• 3.4.2 试验方法66
• 3.4.3 试验结果与分析66-69
• 3.5 本章小结69-71
• 第4章 剩余污泥厌氧产酸中试与强化技术研究71-100
• 4.1 剩余污泥厌氧水解酸化中试研究71-80
• 4.1.1 中试试验介绍71-72
• 4.1.2 水解酸化反应器的设计研究—— CFD模拟72-75
• 4.1.3 试验用泥特性75-76
• 4.1.4 高温厌氧水解产酸中试运行结果76-80
• 4.2 厌氧水解酸化动力学分析与调控策略80-86
• 4.2.1 厌氧水解酸化动力学分析80-84
• 4.2.2 厌氧水解酸化调控策略84-86
• 4.3 强化厌氧产酸技术研究86-98
• 4.3.1 试验用泥特性86-87
• 4.3.2 试验装置与方法87-88
• 4.3.3 试验结果与分析88-98
• 4.4 本章小结98-100
• 第5章 厌氧产酸微生物群落结构分析100-130
• 5.1 材料与方法100-102
• 5.1.1 污泥样品来源100-101
• 5.1.2 DNA的提取和纯化101-102
• 5.1.3 PCR扩增102
• 5.1.4 454焦磷酸高通量测序102
• 5.1.5 454焦磷酸高通量测序结果筛选102
• 5.2 测序结果102-108
• 5.2.1 DNA提取与纯化结果102-103
• 5.2.2 PCR扩增结果103-104
• 5.2.3 稀释性曲线分析104-105
• 5.2.4 多样性指数分析105-107
• 5.2.5 OTU分布VENN分析107-108
• 5.3 厌氧产酸群落多样性分析108-129
• 5.3.1 间歇运行过程的厌氧群落多样性变化108-114
• 5.3.2 连续运行过程的厌氧群落多样性变化114-119
• 5.3.3 外加碳源试验中厌氧群落多样性变化119-120
• 5.3.4 厌氧菌属与环境因子的相关性分析120-122
• 5.3.5 厌氧菌属热图分析122-126
• 5.3.6 不同厌氧水解酸化调控策略下的菌群结构特征126-129
• 5.4 本章小结129-130
• 第6章 混合菌群合成生物可降解塑料的研究130-155
• 6.1 混合菌群合成PHAs的小试研究130-144
• 6.1.1 低碳氮比培养基中混合菌群的筛选与驯化130-134
• 6.1.2 混合菌群利用小试产生的水解液进行PHAs合成134-139
• 6.1.3 混合菌群利用培养基和水解液合成PHAs的差异性分析139-144
• 6.2 M150混合菌群合成PHAs中试研究144-151
• 6.2.1 M150混合菌群扩增试验144-146
• 6.2.2 中试合成PHAs146-151
• 6.3 估算预期经济收益151-154
• 6.3.1 PHAs年产值151-153
• 6.3.2 节约污泥处理费153-154
• 6.4 本章小结154-155
• 第7章 结论与建议155-158
• 7.1 结论155-157
• 7.2 建议157-158
• 参考文献158-174
• 致谢174-176
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果176-177

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