本文關(guān)鍵詞：嗜熱菌強化剩余污泥水解及短鏈脂肪酸積累規(guī)律研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：2011年,我國剩余污泥的總產(chǎn)量達到了3000萬噸,隨著城市化的加劇和人口數(shù)量的增加,污泥產(chǎn)量也持續(xù)增加,預(yù)計到2020年,將達到6000萬噸(污泥含水率以80%計)。剩余污泥的主要成分為有機物(蛋白質(zhì)、糖類、脂類等),具有資源化的潛力。目前,厭氧消化技術(shù)可以實現(xiàn)剩余污泥能源回收與生態(tài)良性循環(huán)的目的,被廣泛用于剩余污泥的處理處置。然而由于大量的有機物儲存于胞內(nèi)或胞外聚合物中,導(dǎo)致厭氧消化速率普遍較低,資源化率不高。因此,快速提升水解速率是解決剩余污泥厭氧消化效率低下,提高污泥資源化率的關(guān)鍵因素之一。由于60℃條件下中溫菌和嗜冷菌死亡或喪失酶的活性,而嗜熱菌具有穩(wěn)定的胞外酶活性。所以,本研究采用高溫條件馴化剩余污泥,篩選具有熱穩(wěn)定酶的嗜熱菌,對其污泥水解性能進行了研究,建立了不同預(yù)處理方法聯(lián)合嗜熱菌強化污泥水解及后續(xù)制備短鏈脂肪酸的方法,為剩余污泥的資源化奠定了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。首先,在60℃條件下從剩余污泥中分離出了3株具有蛋白酶活性的嗜熱菌,其中G1和G2屬于Geobacillus屬,G3屬于Aneurinibacillus屬,分別命名為Geobacillus sp.G1(注冊號:JX522538)、Geobacillus sp.G2(注冊號:KJ190160)和Aneurinibacillus sp.G3(注冊號:KJ190161)。以3株嗜熱菌中對E.coli溶解率較高的嗜熱菌Geobacillus sp.G1為模式菌,采用均勻設(shè)計-響應(yīng)曲面法獲得了最優(yōu)Geobacillus sp.G1的胞外酶活性,發(fā)現(xiàn)胞外酶對E.coli的水解率在4 h時達到了50.1%,比優(yōu)化前提高了16.2%,與此同時,在35%:65%(VG1:VWAS),嗜熱菌Geobacillus sp.G1胞外酶對剩余污泥的水解效能最好,溶解性蛋白質(zhì)的含量達到695 mg COD/L,為對照組的5.0倍。通過對嗜熱菌強化剩余污泥的水解效能進行研究,得出嗜熱菌Geobacillus sp.G1的最佳投加比例為10%(V/V),胞外水解酶活性達到了403±4μg FDA/(m L?h),為對照組的1.5倍。SCOD、溶解性蛋白質(zhì)以及溶解性碳水化合物的的濃度分別為4130±170 mg COD/L、1063±15 mg COD/L,和213±6 mg COD/L,分別為是對照組的1.5、1.7和1.1倍,短鏈脂肪酸的積累量為2560±100 mg COD/L,是對照組的2.0倍。微生物群落結(jié)構(gòu)演替過程表明,嗜熱菌Geobacillus sp.G1處理組中,水解階段起主要作用的為Clostridia綱的Caloramator;發(fā)酵階段,雖然Clostridia綱的微生物由水解階段的9%~25%增加到了66%~74%,但是屬的組成由原來的嗜熱水解菌轉(zhuǎn)變?yōu)橹袦厮饩退峄?并且蛋白酶基因的含量相對下降。為了考察嗜熱菌Geobacillus sp.G1聯(lián)合現(xiàn)有預(yù)處理技術(shù)對剩余污泥的水解是否具有促進效能,本文選取了三種典型的預(yù)處理技術(shù)(堿,超聲和凍融)對嗜熱菌Geobacillus sp.G1水解剩余污泥進行強化,結(jié)果表明,聯(lián)合預(yù)處理(堿聯(lián)合嗜熱菌Geobacillus sp.G1(AG)、超聲聯(lián)合嗜熱菌Geobacillus sp.G1(UG)、凍融聯(lián)合嗜熱菌Geobacillus sp.G1(FG)對剩余污泥的水解作用均高于單一預(yù)處理。水解階段,剩余污泥中溶解性蛋白質(zhì)的釋放效能,AG、UG和FG組分別是對照組的2.0、1.7和1.4倍;酸化階段,短鏈脂肪酸的積累效能,AG、UG和FG組分別是對照組的2.7、2.5和2.0倍。微生物群落結(jié)構(gòu)演替過程表明,預(yù)處理技術(shù)對剩余污泥后續(xù)發(fā)酵階段的微生物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著影響,但是在發(fā)酵體系中功能微生物種類相同。Bacteroidia綱和Clostridia綱的微生物主要參與剩余污泥中固體成分的分解和有機酸的積累;γ-Proteobacteria綱和Actinobacteria綱的微生物作為固體廢物厭氧分解過程中微生物群落的重要組成部分,參與剩余污泥的水解過程。本研究開發(fā)的嗜熱菌強化剩余污泥水解預(yù)處理技術(shù)及聯(lián)合預(yù)處理技術(shù),為實現(xiàn)剩余污泥的快速水解開辟了新途徑,為以制備碳源為目的的剩余污泥資源化過程提供了理論支持。
【關(guān)鍵詞】：剩余污泥 短鏈脂肪酸 嗜熱菌 水解 酸化
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：X703.1;X172
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-16
• 第1章 緒論16-31
• 1.1 課題背景及研究的目的和意義16
• 1.2 剩余污泥資源化及研究現(xiàn)狀16-19
• 1.2.1 剩余污泥的組成16-17
• 1.2.2 剩余污泥的處理處置方法17-19
• 1.3 剩余污泥預(yù)處理研究現(xiàn)狀19-28
• 1.3.1 熱水解19-21
• 1.3.2 機械預(yù)處理21-23
• 1.3.3 化學(xué)預(yù)處理23-24
• 1.3.4 生物預(yù)處理技術(shù)24-26
• 1.3.5 預(yù)處理技術(shù)能耗26-28
• 1.4 嗜熱菌水解技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀28
• 1.5 問題的提出28-29
• 1.6 本文研究的主要內(nèi)容和技術(shù)路線29-31
• 1.6.1 主要研究內(nèi)容29-30
• 1.6.2 技術(shù)路線30-31
• 第2章 實驗材料與方法31-45
• 2.1 實驗裝置及材料31-32
• 2.1.1 剩余污泥水解酸化裝置31
• 2.1.2 超聲裝置31-32
• 2.1.3 剩余污泥來源及性質(zhì)32
• 2.2 嗜熱菌的分離和活性分析32-36
• 2.2.1 培養(yǎng)基32-33
• 2.2.2 微生物DNA的提取33
• 2.2.3 嗜熱菌的分離33
• 2.2.4 嗜熱菌鑒定33-34
• 2.2.5 水解酶活性優(yōu)化34-35
• 2.2.6 嗜熱菌上清液水解剩余污泥實驗設(shè)計35-36
• 2.2.7 溶菌實驗36
• 2.3 不同預(yù)處理聯(lián)合嗜熱菌強化污泥水解36-37
• 2.3.1 嗜熱菌投加比例的優(yōu)化36
• 2.3.2 堿聯(lián)合嗜熱菌實驗36-37
• 2.3.3 超聲聯(lián)合嗜熱菌實驗37
• 2.3.4 凍融聯(lián)合嗜熱菌實驗37
• 2.4 微生物群落結(jié)構(gòu)分析方法37-40
• 2.4.1 功能基因熒光定量PCR分析37-38
• 2.4.2 高通量測序分析38-40
• 2.5 分析檢測方法40-45
• 2.5.1 污泥樣品相關(guān)化學(xué)分析40-41
• 2.5.2 蛋白酶活性測定41-42
• 2.5.3 淀粉酶活性測定42
• 2.5.4 熒光素二乙酸酯（FDA）水解酶活性測定42
• 2.5.5 熒光信號物質(zhì)測定42-43
• 2.5.6 微生物形態(tài)學(xué)分析43
• 2.5.7 分析指標(biāo)43-45
• 第3章 嗜熱菌的分離鑒定及溶胞性能分析45-63
• 3.1 引言45
• 3.2 嗜熱菌的分離及鑒定45-55
• 3.2.1 嗜熱菌的分離45-49
• 3.2.2 嗜熱菌的鑒定49-52
• 3.2.3 嗜熱菌的胞外酶活性分析52-55
• 3.3 嗜熱菌溶胞性能優(yōu)化55-61
• 3.3.1 菌株的選擇55-56
• 3.3.2 溶胞性能優(yōu)化56-59
• 3.3.3 溶胞性能驗證59-61
• 3.4 本章小結(jié)61-63
• 第4章 嗜熱菌預(yù)處理剩余污泥及對發(fā)酵產(chǎn)酸功能微生物影響解析63-90
• 4.1 引言63
• 4.2 嗜熱菌投加比例的優(yōu)化63-70
• 4.2.1 微生物活性分析63-64
• 4.2.2 溶解性有機物分析64-66
• 4.2.3 水解階段微生物群落結(jié)構(gòu)分析66-70
• 4.3 嗜熱菌的功能基因解析70-73
• 4.3.1 嗜熱菌水解相關(guān)功能基因確定70-71
• 4.3.2 嗜熱菌溶解革蘭氏陰性菌性能分析71-72
• 4.3.3 嗜熱菌溶解革蘭氏陽性菌性能分析72
• 4.3.4 嗜熱菌溶解混合菌系性能分析72-73
• 4.4 嗜熱菌預(yù)處理對厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸效能影響73-83
• 4.4.1 溶解性有機物變化73-75
• 4.4.2 短鏈脂肪酸產(chǎn)量及組分分析75-78
• 4.4.3 生物預(yù)處理方法對剩余污泥短鏈脂肪酸積累比較分析78-79
• 4.4.4 微生物群落結(jié)構(gòu)分析79-83
• 4.5 嗜熱菌對剩余污泥微生物群落結(jié)構(gòu)演替的影響83-88
• 4.5.1 微生物群落差異性分析83-85
• 4.5.2 微生物群落結(jié)構(gòu)演替85-86
• 4.5.3 關(guān)鍵功能基因分析86-88
• 4.6 本章小結(jié)88-90
• 第5章 物化法強化嗜熱菌預(yù)處理及短鏈脂肪酸積累與功能微生物關(guān)聯(lián)解析90-129
• 5.1 引言90
• 5.2 嗜熱菌與其它預(yù)處理方法對剩余污泥水解酸化性能分析90-92
• 5.2.1 預(yù)處理后溶解性有機物分析90-91
• 5.2.2 短鏈脂肪酸的積累及組分分析91-92
• 5.2.3 嗜熱菌預(yù)處理與其它預(yù)處理方法比較92
• 5.3 堿聯(lián)合嗜熱菌強化剩余污泥水解酸化及功能微生物解析92-103
• 5.3.1 預(yù)處理后溶解性有機物分析及相關(guān)微生物水解酶活性分析92-94
• 5.3.2 預(yù)處理后污泥溶解性有機物的熒光物質(zhì)分析94-97
• 5.3.3 發(fā)酵階段溶解性有機物轉(zhuǎn)化分析97-99
• 5.3.4 發(fā)酵階段微生物群落結(jié)構(gòu)分析99-103
• 5.4 超聲聯(lián)合嗜熱菌強化剩余污泥水解酸化及功能微生物解析103-114
• 5.4.1 預(yù)處理后溶解性有機物分析103-105
• 5.4.2 預(yù)處理后污泥溶解性有機物的熒光物質(zhì)分析105-107
• 5.4.3 發(fā)酵階段溶解性有機物轉(zhuǎn)化分析107-109
• 5.4.4 酸化階段微生物群落結(jié)構(gòu)分析109-114
• 5.5 凍融聯(lián)合嗜熱菌強化剩余污泥水解及功能微生物解析114-123
• 5.5.1 預(yù)處理后溶解性有機物分析114-115
• 5.5.2 預(yù)處理后污泥溶解性有機物的熒光物質(zhì)分析115-116
• 5.5.3 發(fā)酵階段溶解性有機物轉(zhuǎn)化分析116-118
• 5.4.4 發(fā)酵階段微生物群落結(jié)構(gòu)分析118-123
• 5.6 聯(lián)合預(yù)處理性能比較分析123-127
• 5.6.1 聯(lián)合預(yù)處理對剩余污泥的水解率比較分析123-125
• 5.6.2 聯(lián)合預(yù)處理對剩余污泥的酸化率比較分析125
• 5.6.3 聯(lián)合預(yù)處理條件主要有機質(zhì)釋放與功能微生物關(guān)聯(lián)解析125-127
• 5.7 本章小結(jié)127-129
• 結(jié)論129-132
• 參考文獻132-151
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果151-154
• 致謝154-155
• 個人簡歷155

  本文關(guān)鍵詞：嗜熱菌強化剩余污泥水解及短鏈脂肪酸積累規(guī)律研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：278196