嗜热菌强化剩余污泥水解及短链脂肪酸积累规律研究

发布时间：2017-03-30 22:11

  本文关键词：嗜热菌强化剩余污泥水解及短链脂肪酸积累规律研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：2011年,我国剩余污泥的总产量达到了3000万吨,随着城市化的加剧和人口数量的增加,污泥产量也持续增加,预计到2020年,将达到6000万吨(污泥含水率以80%计)。剩余污泥的主要成分为有机物(蛋白质、糖类、脂类等),具有资源化的潜力。目前,厌氧消化技术可以实现剩余污泥能源回收与生态良性循环的目的,被广泛用于剩余污泥的处理处置。然而由于大量的有机物储存于胞内或胞外聚合物中,导致厌氧消化速率普遍较低,资源化率不高。因此,快速提升水解速率是解决剩余污泥厌氧消化效率低下,提高污泥资源化率的关键因素之一。由于60℃条件下中温菌和嗜冷菌死亡或丧失酶的活性,而嗜热菌具有稳定的胞外酶活性。所以,本研究采用高温条件驯化剩余污泥,筛选具有热稳定酶的嗜热菌,对其污泥水解性能进行了研究,建立了不同预处理方法联合嗜热菌强化污泥水解及后续制备短链脂肪酸的方法,为剩余污泥的资源化奠定了理论基础和技术支持。首先,在60℃条件下从剩余污泥中分离出了3株具有蛋白酶活性的嗜热菌,其中G1和G2属于Geobacillus属,G3属于Aneurinibacillus属,分别命名为Geobacillus sp.G1(注册号:JX522538)、Geobacillus sp.G2(注册号:KJ190160)和Aneurinibacillus sp.G3(注册号:KJ190161)。以3株嗜热菌中对E.coli溶解率较高的嗜热菌Geobacillus sp.G1为模式菌,采用均匀设计-响应曲面法获得了最优Geobacillus sp.G1的胞外酶活性,发现胞外酶对E.coli的水解率在4 h时达到了50.1%,比优化前提高了16.2%,与此同时,在35%:65%(VG1:VWAS),嗜热菌Geobacillus sp.G1胞外酶对剩余污泥的水解效能最好,溶解性蛋白质的含量达到695 mg COD/L,为对照组的5.0倍。通过对嗜热菌强化剩余污泥的水解效能进行研究,得出嗜热菌Geobacillus sp.G1的最佳投加比例为10%(V/V),胞外水解酶活性达到了403±4μg FDA/(m L?h),为对照组的1.5倍。SCOD、溶解性蛋白质以及溶解性碳水化合物的的浓度分别为4130±170 mg COD/L、1063±15 mg COD/L,和213±6 mg COD/L,分别为是对照组的1.5、1.7和1.1倍,短链脂肪酸的积累量为2560±100 mg COD/L,是对照组的2.0倍。微生物群落结构演替过程表明,嗜热菌Geobacillus sp.G1处理组中,水解阶段起主要作用的为Clostridia纲的Caloramator;发酵阶段,虽然Clostridia纲的微生物由水解阶段的9%~25%增加到了66%~74%,但是属的组成由原来的嗜热水解菌转变为中温水解菌和酸化菌,并且蛋白酶基因的含量相对下降。为了考察嗜热菌Geobacillus sp.G1联合现有预处理技术对剩余污泥的水解是否具有促进效能,本文选取了三种典型的预处理技术(碱,超声和冻融)对嗜热菌Geobacillus sp.G1水解剩余污泥进行强化,结果表明,联合预处理(碱联合嗜热菌Geobacillus sp.G1(AG)、超声联合嗜热菌Geobacillus sp.G1(UG)、冻融联合嗜热菌Geobacillus sp.G1(FG)对剩余污泥的水解作用均高于单一预处理。水解阶段,剩余污泥中溶解性蛋白质的释放效能,AG、UG和FG组分别是对照组的2.0、1.7和1.4倍;酸化阶段,短链脂肪酸的积累效能,AG、UG和FG组分别是对照组的2.7、2.5和2.0倍。微生物群落结构演替过程表明,预处理技术对剩余污泥后续发酵阶段的微生物群落结构产生显著影响,但是在发酵体系中功能微生物种类相同。Bacteroidia纲和Clostridia纲的微生物主要参与剩余污泥中固体成分的分解和有机酸的积累;γ-Proteobacteria纲和Actinobacteria纲的微生物作为固体废物厌氧分解过程中微生物群落的重要组成部分,参与剩余污泥的水解过程。本研究开发的嗜热菌强化剩余污泥水解预处理技术及联合预处理技术,为实现剩余污泥的快速水解开辟了新途径,为以制备碳源为目的的剩余污泥资源化过程提供了理论支持。
【关键词】：剩余污泥 短链脂肪酸 嗜热菌 水解 酸化
【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】：X703.1;X172
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-16
• 第1章 绪论16-31
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义16
• 1.2 剩余污泥资源化及研究现状16-19
• 1.2.1 剩余污泥的组成16-17
• 1.2.2 剩余污泥的处理处置方法17-19
• 1.3 剩余污泥预处理研究现状19-28
• 1.3.1 热水解19-21
• 1.3.2 机械预处理21-23
• 1.3.3 化学预处理23-24
• 1.3.4 生物预处理技术24-26
• 1.3.5 预处理技术能耗26-28
• 1.4 嗜热菌水解技术应用现状28
• 1.5 问题的提出28-29
• 1.6 本文研究的主要内容和技术路线29-31
• 1.6.1 主要研究内容29-30
• 1.6.2 技术路线30-31
• 第2章 实验材料与方法31-45
• 2.1 实验装置及材料31-32
• 2.1.1 剩余污泥水解酸化装置31
• 2.1.2 超声装置31-32
• 2.1.3 剩余污泥来源及性质32
• 2.2 嗜热菌的分离和活性分析32-36
• 2.2.1 培养基32-33
• 2.2.2 微生物DNA的提取33
• 2.2.3 嗜热菌的分离33
• 2.2.4 嗜热菌鉴定33-34
• 2.2.5 水解酶活性优化34-35
• 2.2.6 嗜热菌上清液水解剩余污泥实验设计35-36
• 2.2.7 溶菌实验36
• 2.3 不同预处理联合嗜热菌强化污泥水解36-37
• 2.3.1 嗜热菌投加比例的优化36
• 2.3.2 碱联合嗜热菌实验36-37
• 2.3.3 超声联合嗜热菌实验37
• 2.3.4 冻融联合嗜热菌实验37
• 2.4 微生物群落结构分析方法37-40
• 2.4.1 功能基因荧光定量PCR分析37-38
• 2.4.2 高通量测序分析38-40
• 2.5 分析检测方法40-45
• 2.5.1 污泥样品相关化学分析40-41
• 2.5.2 蛋白酶活性测定41-42
• 2.5.3 淀粉酶活性测定42
• 2.5.4 荧光素二乙酸酯（FDA）水解酶活性测定42
• 2.5.5 荧光信号物质测定42-43
• 2.5.6 微生物形态学分析43
• 2.5.7 分析指标43-45
• 第3章 嗜热菌的分离鉴定及溶胞性能分析45-63
• 3.1 引言45
• 3.2 嗜热菌的分离及鉴定45-55
• 3.2.1 嗜热菌的分离45-49
• 3.2.2 嗜热菌的鉴定49-52
• 3.2.3 嗜热菌的胞外酶活性分析52-55
• 3.3 嗜热菌溶胞性能优化55-61
• 3.3.1 菌株的选择55-56
• 3.3.2 溶胞性能优化56-59
• 3.3.3 溶胞性能验证59-61
• 3.4 本章小结61-63
• 第4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63-90
• 4.1 引言63
• 4.2 嗜热菌投加比例的优化63-70
• 4.2.1 微生物活性分析63-64
• 4.2.2 溶解性有机物分析64-66
• 4.2.3 水解阶段微生物群落结构分析66-70
• 4.3 嗜热菌的功能基因解析70-73
• 4.3.1 嗜热菌水解相关功能基因确定70-71
• 4.3.2 嗜热菌溶解革兰氏阴性菌性能分析71-72
• 4.3.3 嗜热菌溶解革兰氏阳性菌性能分析72
• 4.3.4 嗜热菌溶解混合菌系性能分析72-73
• 4.4 嗜热菌预处理对厌氧发酵产酸效能影响73-83
• 4.4.1 溶解性有机物变化73-75
• 4.4.2 短链脂肪酸产量及组分分析75-78
• 4.4.3 生物预处理方法对剩余污泥短链脂肪酸积累比较分析78-79
• 4.4.4 微生物群落结构分析79-83
• 4.5 嗜热菌对剩余污泥微生物群落结构演替的影响83-88
• 4.5.1 微生物群落差异性分析83-85
• 4.5.2 微生物群落结构演替85-86
• 4.5.3 关键功能基因分析86-88
• 4.6 本章小结88-90
• 第5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解析90-129
• 5.1 引言90
• 5.2 嗜热菌与其它预处理方法对剩余污泥水解酸化性能分析90-92
• 5.2.1 预处理后溶解性有机物分析90-91
• 5.2.2 短链脂肪酸的积累及组分分析91-92
• 5.2.3 嗜热菌预处理与其它预处理方法比较92
• 5.3 碱联合嗜热菌强化剩余污泥水解酸化及功能微生物解析92-103
• 5.3.1 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92-94
• 5.3.2 预处理后污泥溶解性有机物的荧光物质分析94-97
• 5.3.3 发酵阶段溶解性有机物转化分析97-99
• 5.3.4 发酵阶段微生物群落结构分析99-103
• 5.4 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103-114
• 5.4.1 预处理后溶解性有机物分析103-105
• 5.4.2 预处理后污泥溶解性有机物的荧光物质分析105-107
• 5.4.3 发酵阶段溶解性有机物转化分析107-109
• 5.4.4 酸化阶段微生物群落结构分析109-114
• 5.5 冻融联合嗜热菌强化剩余污泥水解及功能微生物解析114-123
• 5.5.1 预处理后溶解性有机物分析114-115
• 5.5.2 预处理后污泥溶解性有机物的荧光物质分析115-116
• 5.5.3 发酵阶段溶解性有机物转化分析116-118
• 5.4.4 发酵阶段微生物群落结构分析118-123
• 5.6 联合预处理性能比较分析123-127
• 5.6.1 联合预处理对剩余污泥的水解率比较分析123-125
• 5.6.2 联合预处理对剩余污泥的酸化率比较分析125
• 5.6.3 联合预处理条件主要有机质释放与功能微生物关联解析125-127
• 5.7 本章小结127-129
• 结论129-132
• 参考文献132-151
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果151-154
• 致谢154-155
• 个人简历155

  本文关键词：嗜热菌强化剩余污泥水解及短链脂肪酸积累规律研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：278196