（环境工程专业论文）剩余污泥中高温厌氧消解酸化系统中特效产酸菌的选育.pdf

m d d i s s e r t a t i o n b r e e d i n go ft h ea c e t o g e n i cb a c t e r i aw i t hs p e c i a l e f f i i 3 u n d e rt ea c t i v a t e ds l u d gbasede c i e n c yu n t i e rw a s t ea c t i v a t e ds l u d g eb a s e do n m e s o p h i l i c t h e r m o p h i l i cp h a s ea n a e r o b i c l d i g e s t i o ns y s t e m b y w e iw a n g s u p e r v i s e db y a s s o c i a t ep y o j x i u y u ns u n n a n ji n gu n i v e r s i t yo fs c i e n c e t e c h n o l o g y m a r c h ，2 0 1 3 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：列弓年弓只| g 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：矽够年弓月肜日 摘要 剩余活性污泥( w a s ) 的减量化与资源化问题已成为城市建设进程中的一大难题。 特效产乙酸菌在厌氧发酵中，其代谢产生的挥发性短链脂肪酸( v s c f a s ) 可作为易被 利用的小分子有机碳源加以利用。研究以剩余活性污泥为对象，基于中高温厌氧消解酸 化系统( m t p a d s ) ，进行特效产乙酸菌株的选育工作，探讨产乙酸菌株的产酸特性， 并对其种群结构进行解析，以期为剩余污泥的资源化应用提供技术支撑。 在研究中，m t p a d s 经过3 5 d 左右的厌氧发酵过程，p h 逐渐稳定于7 0 左右；剩 余污泥中有机质在高温段会逐渐溶解析出，形成溶解性总有机碳( s t o c ) ，经过高温溶 出中温产酸的发酵过程，最终保持在2 0 0 0m g l 左右；与此同时，v s c f a s 在 8 0 m g l 1 3 0 m g l 期间内浮动，平均稳定于1 0 0 m g l 左右，揭示了m t p a d s 中厌氧 产酸的相对稳定状态。 一 根据m t p a d s 中厌氧产酸菌株的代谢特点，以丙酸钠和丁酸钠作为富集培养基的 碳源，对发酵菌株进行富集培养。研究发现，加入中温无菌无氧自然基质的富集培养液 中，当p h 为7 1 时，混菌可有效地实现大分子酸的代谢转化，且产酸代谢能力最强。 基于最优富集和分离培养基，通过稀释分离技术和厌氧斜面法，最终分离筛选出四株厌 氧产酸菌株：n j u s t l 9 、n j u s t 2 0 、n j u s t 2 1 和n j u s t 2 2 。对四株菌株进行代谢产酸 能力的分析，发现n j u s t l 9 号菌的代谢转化能力最强，用5 0 m l 培养液培养7 d 后，其 产乙酸量可达至2 3 5m g l ，可作为最优产乙酸菌株为后续利用。 通过p c r 克隆分子检测技术，对产酸菌株进行结构解析。研究发现，此四株单菌 均是革兰氏阳性菌，其菌体形态依次为n j u s t l 9 ：梭状( 9 4 1 0 4 ) g m x ( 3 5 4 5 ) t a m ； n j u s t 2 0 ：拟杆状( 5 4 - 8 5 ) g m x ( 3 5 4 6 ) 肛m ；n j u s t 2 2 ：拟杆状( 8 7 - 1 0 3 ) g m x ( 5 2 6 1 ) g m ； n j u s t 2 1 ：球状d ( 4 0 4 5 ) o 工n 。在g e n b a n k 网站( h t t p ：w w w n c b i n l m n i h g o v g e n b a n k ) 上，经b l a s t 比对发现，基因组1 6 sr d n a 均保持在1 4 4 7 - - 一1 4 7 1 b p 范围内，且具有一定 的特异性，可将菌株分别命名为：c l o s t r i d i u ms p n j u s t l9 ( j x 9 7 5 4 4 7 ) 、b a c i l l u ss p n j u s t 2 0 ( j x 9 7 5 4 4 8 ) 、m i c r o b a c t e r i u ms p n j u s t 21 ( j x 9 7 5 4 4 9 ) 和b a c i l l u ss p n j u s t 2 2 ( j x 9 7 5 4 5 0 ) 。 n j u s t l 9 特效产乙酸菌的产酸特性研究结果表明，n j u s t l 9 菌可利用淀粉，甘油， 麦芽糖、半乳糖、葡萄糖、蔗糖等大分子糖类，和丙酸、丁酸等有机酸进行代谢作用， 实现大分子物质n d , 分子有机酸( 乙酸) 的代谢转化过程。研究发现，菌株在7 d 内可 将淀粉分解为2 6 2 9 m g l 的甲酸、4 2 2 4 m g l 的乙酸；将麦芽糖分解为2 2 8 4 m g l 的甲 酸、2 0 5 4 m g l 的乙酸；将丙酸分解为1 4 3 9 m g l 的乙酸；将甘油( 丙三醇) 分解为9 7 1 m g l 的乙酸、6 7 8 m l 的丁酸。由此可知，n j u s t l 9 菌株表现出了广泛的碳源利用能力。 摘要 硕士论文 同时在研究蛋白胨、尿素等有机氮源和n h 4 c 1 、n a n 0 3 等无机氮源对n j u s t l 9 菌代谢 转化的影响中发现，以n h 4 c 1 为无机氮源时，其产乙酸量可达至3 5 5 m g l 左右，实现 了菌株的高效产酸；以蛋白胨为有机氮源时，其产乙酸量可达到3 5 0 m g l 左右，在选定 的有机氮源中属于最佳的产酸代谢基质，故将蛋白胨和n h 4 c 1 分别作为n j u s t l 9 菌代 谢活动的最佳有机氮源和无机氮源。 在研究环境因素对n j u s t l 9 菌的影响中发现，酸性条件( p h 6 5 ) 不利于n j u s t l 9 菌的生长代谢，弱碱环境( 8 5 卸h 9 5 ) 对于菌株的代谢产酸则具有一定的促进作用； n j u s t l 9 菌在高温状态下的代谢产酸能力要远远高于中温状态下的代谢转化能力，故初 步断定n j u s t l 9 菌株属于高温菌。综上所述，菌株的最适代谢环境条件可确定为：p h 为9 0 ，中温温度控制为3 0 ，高温温度控制在6 5 ，c n 控制在3 0 。 关键词：剩余活性污泥，中高温厌氧消解酸化系统，厌氧产酸菌，产酸特性，v s c f a s i i a b s t r a c t t h ei s s u eo fr e d u c t i o na n dr e u s ea b o u tw a s t ea c t i v a t e ds l u d g e ( w a s ) h a sb e e na p r o b l e m i nu r b a nd e v e l o p m e n t t h ea c e t o g e n i cb a c t e r i aw i t h s p e c i a le f f i c i e n c yi nt h ea n a e r o b i c f e r m e n t a t i o nc a np r o d u c es t o r e so fv o l a t l i es h o r t c h a i nf a t t ya c i d s ( v s c f a s ) ，w h i c hc a nb e u s e da se a s i l yu s e do r g a n i cc a r b o ns o u r c ef o rs u b s e q u e n ta n a e r o b i cf e r m e n t a t i o n i no r d e rt o p r o v i d et h et e c h n i c a ls u p p o r tf o re n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n sa n dr e u s a b l ea p p l i c a t i o n so fw a s ， t h er e s e a r c hw o u l db r e e dt h ea c e t o g e n i cb a c t e r i ai nb o t t o mm a t t e r , e x p l o r et h ec h a r a c t e r i s t i c s o fa c i d i f i c a t i o no ft h ea c e t o g e n i cb a c t e r i a ，a n dp a r s ei t sp o p u l a t i v es t r u c t u r e ，i nt h ec o n d i t i o n o fu s i n gw a sa s t h e b a s a l o b j e c ta n db a s i n go nt h em e s o p h i l i c t h e r m o p h i l i cp h a s e a n a e r o b i c d i g e s t i o ns y s t e m ( m - t p a d s ) w 汕3 5d a y s a n a e r o b i cf e r m e n t a t i o ni nt h em t p a d s t h er e s e a r c ha r r i v e st h e f o l l o w i n gc o n c l u s i o n s ：p hh a sg r a d u a l l ys t a b i l i z e da t7 o ；o r g a n i cm a t t e ro fw a sw o u l db e t a k e da ss o l u b l et o t a lo r g a n i cc a r b o n ( s t o c ) t og r a d u a l l yh y d r o l y z eo u t ，a n du l t i m a t e l yb e m a i n t a i n e da t2 0 0 0 m g l ；a tt h es a n l et i m e ，v s c f a sh a sb e e nf l o a t e di nt h e8 0 m g l 1 3 0 m g l ， a n ds t a b i l i z e da ta na v e r a g eo flo o m g l o nt h eb a s i so ft h ea b o v ec o n c l u s i o n ，m p a d s h a si n d i c a t e da r e l a t i v e l ys t a b l es t a t eo na n a e r o b i ca c i d i f i c a t i o n a c c o r d i n gt o m e t a b o l i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ea n a e r o b i c a c e t o g e n i cb a c t e r i ai n m - t p a d s ，t h er e s e a r c hu t i l i z e ss o d i u mp r o p i o n a t ea n ds o d i u mb u t y r a t ea st h ec a r b o no fr i c h m e d i u m ，t oa c h i e v ee n r i c h m e n to ft h eb a c t e r i a t h er e s e a r c hh a sf o u n dt h a tt h em i x e db a c t e r i a c a ne f f e c t i v e l ya c h i e v em e t a b o l i cc o n v e r s i o no ft h ec o m p l e xm a c r o m o l e c u l a ra c i d s ，w h e nt h e p hi s7 1 ，a l s ot h em e t a b o l i cc a p a b i l i t yc a nr e a c hs t r o n g e s ti nt h ef l u i de n r i c h m e n tm e d i u m c o n t a i n i n gs u p e m a t a n tf l u i do fm e s o p h i l i ca n a e r o b i cr e a c t o r m e a n w h i l e ，t h es t u d ye v e n t u a l l y i s o l a t e sf o u ra n a e r o b i ca c i d i cb a c t e r i as t r a i n sb yd i l u t e ds e p a r a t i o na n da n a e r o b i ci n c l i n e c o n t a i n i n gn j u s t l 9 ，n j u s t 2 0 ，n j u s t 2 1a n dn j u s t 2 2 t h es t u d yr e a l i z e sn j u s t l 9 s t r a i nc a np r o d u c e2 3 5m g la c e t i ca c i da f t e r7d a y s c u l t u r ei n5 0m lc u l t u r em e d i u m ，w h i c h h a so p t i m a l i z i n gm e t a b o l i cc a p a b i l i t y , s ot h es t r a i nc a nb eu s e da so p t i m a la c e t o g e n i cb a c t e r i a i nt h es u b s e q u e n ta n a e r o b i cf e r m e n t a t i o no fw a s t h ei n v e s t i g a t i o nh a ss e p a r a t e l yp e r f o r m e dt h ea n a l y s i so fm i c r o b i a ls t r u c t u r ea b o u tt h e f o u ra n a e r o b i ca c e t o g e n i cb a c t e r i a , t h r o u g ht h et e c h n o l o g yo fp c r c l o n e t h er e s e a r c h i l l u s t r a t e st h i sf o u rs i n g l eb a c t e r i ab o t ha r eg r a mp o s i t i v eb a c t e r i a a n dm e a n w h i l e ，t h es e m o fb a c t e r i u mh a ss e p a r a t e l ys h o w nm o r p h o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ef o u rb a c t e r i a s u c ha s ， n j u s t l9 s t r a i n ：c l o s t r i d i u m ，( 9 4 10 4 ) n n ( 3 5 4 5 ) r u n ；n j u s t 2 0s t r a i n ：b a c i l l u s ， i i i a b s t r a c t 硕士论文 ( 5 4 8 5 ) p m ( 3 5 4 6 ) l x m ；n j u s t 2 1s t r a i n ：s p h e r i c i t y ，d ( 4 0 4 5 ) 肛1 ；n j u s t 2 2 s t r a i n ： b a c i l l u s ，( 8 7 - 1 0 3 ) 岬( 5 2 6 1 ) r t m a f t e rb l a s tc o n t r a s ti nt h eg e n b a n kw e b s i t et h e r e s e a r c hh a sf o u n dt h a tt h es e q u e n c e so fd n a r a n g ef r o m14 4 7t o 14 71 b p ，a n dt h ef o u r s t r a i n sh a v ei t sc e r t a i ns p e c i f i c i t y t h e r e f o r e ，t h ef o u rb a c t e r i ac a nb en a m e da sc l o s t r i d i u ms p n j u s t l 9 ( j x 9 7 5 4 4 7 ) ， b a c i l l u s s p n j u s t 2 0 ( j x 9 7 5 4 4 8 ) ， m i c r o b a c t e r i u m s p n j u s t 2 1 ( j x 9 7 5 4 4 9 ) ，b a c i l l u ss p n j u s t 2 2 ( j x 9 7 5 4 5 0 ) f r o mt h em e t a b o l i cc h a r a c t e r i s t i c sf o ra c i d i f i c a t i o no ft h en j u s t19s t r a i n ，t h er e s e a r c h r e v e a l st h a tn j u s t l9c a ns u f f i c i e n tu s es t a r c h ，g l y c e r i n ，c a r b o h y d r a t ea n do r g a n i ca c i dt o a c c o m p l i s ht h em e t a b o l i ct r a n s f o r m a t i o nf r o mm a c r o m o l e c u l et ov s c f a s ，e s p e c i a l l ya c e t i c a c i d m o r e o v e r , t h es t r a i nc a np r o d u c e2 6 2 9m g lf o r m i ca c i d ，4 2 2 4m g la c e t i ca c i db y a m y l o l y s i s ；t h es t r a i nc a nb r e a kd o w nm a l t o s ei n t o2 2 8 4m g lf o r m i ca c i da n d2 0 5 4m g l a c e t i c a c i d ；p r o p i o n i c a c i dc a nb e d e c o m p o s e d i n t o14 3 9 m g la c e t i ca c i d ；a l s o g l y c e r i n ( g l y c e r y la l c o h 0 1 ) c a nb ed e c o m p o s e di n t o9 7 1m g la c e t i ca c i da n d6 7 8m g l b u t y r i ca c i d t h e r e f o r e ，n j u s t 19h a ss h o w naw i d er a n g eo fc a r b o nu t i l i z a t i o n a n d m e a n w h i l e ，f r o mt h et h ee f f e c t so fm e t a b o l i ct r a n s f o r m a t i o n 谢t l ln j u s t l9i no r g a n i c n i t r o g e no fp e p t o n e ，c a r b a m i d ea n di n o r g a n i cn i t r o g e no fn h 4 c 1a n dn a n 0 3 ，t h es t u d yh a s i n d i c a t e dt h a tt h en j u s t l9c a np r o d u c e3 5 5m g la c e t i ca c i dw h e nt a k e sn h 4 c 1a s i n o r g a n i cn i t r o g e n ；a l s op r o d u c e3 5 0m g la c e t i ca c i dw h e nt a k e sp e p t o n ea so r g a n i cn i t r o g e n s o ，t h er e s e a r c hs e p a r a t e l yt a k ep e p t o n e n i - h c la st h eo p t i m a lo r g a n i c i n o r g a n i cn i t r o g e n s o u r c ef o rt h em e t a b o l i ca c t i v i t yo f n j u s t l9s t r a i n b yi n v e s t i g a t i n gt h ee f f e c t s o fe n v i r o n m e n t a lf a c t o r sf o rt h em e t a b o l i c a c t i v i t yo f n j u s t l9s t r a i n ，t h er e s e a r c hs h o w st h a tt h ea c i d i ce n v i r o n m e n tq h 6 5 ) w o u l dr e s t r a i nt h e g r o w t ho fn j u s t l 9s t r a i n ，a c c o r d i n g l y , w e a k l ya l k a l i n e ( 8 5 丁酸 丙酸；并且乙醇发酵是充分发挥此 两相厌氧系统的最佳发酵类型；在产甲烷中，大部分挥发酸均需经历乙酸的降解途径才 能完成最终降解，导致相对缓慢的乙酸转化效率成为了厌氧工艺中主要的限速步骤。 王爱杰等【75 j 基于硫酸盐废水，针对硫酸盐还原过程中产乙酸代谢方式的形成及其稳 定性进行讨论研究。研究阐述了乙酸的代谢方式可为后续产甲烷相反应器提供适宜的底 物，对提高硫酸盐废水的处理效率和稳定性具有重要意义。 上述厌氧发酵的科学研究主要是提供更易于进行甲烷化的代谢底质( 如丙酸、丁酸 等) ，或是为甲烷化过程提供直接利用的底质( 如乙酸、甲醇等) ，以创造最适宜的生态 环境条件。研究中虽未重点强调乙酸的转化在厌氧消化中的限制作用，但都间接阐述了 其对厌氧消化的调控作用。 6 硕士论文 剩余污泥中，高温厌氧消解酸化系统中特效产酸菌的选育 1 2 3 污泥厌氧生物处理过程中“酸化现象 的分析 根据上述污泥的厌氧生物处理系统中微生物群落及其生态学的研究发现，甲烷化中 产甲烷菌位于厌氧发酵食物链中最后位置，其只能将易被利用的简单底质( 如乙酸、乙 醇等) 进行代谢转化，因此须要将大分子有机酸进行分解转化，否则会伴随着厌氧发酵 过程中“酸化现象”的产生，即：致使挥发性短链脂肪酸( v s c f a s ) 的大量积累，使 甲烷化阶段受到严重抑制，工艺中的产气量和c o d 去除率大幅度降低，严重影响厌氧 生物处理工艺的正常运行。产氢产乙酸菌群( 月黝) 是剩余污泥厌氧发酵过程中不可或 缺的菌群，在营养生态位上和厌氧发酵阶段中起着承上启下的作用，可实现大分子酸的 分解转化，对厌氧发酵具有重要的调控作用。 据两相厌氧生物处理系统的研究分析 4 1 , 7 4 】推测，“甲烷化阶段是厌氧消化过程的限 速步骤” 7 6 , 7 7 这一传统观念已受到冲击。研究分析指出，由于产氢产乙酸菌群有着与产 甲烷菌相似的生态位和生长代谓j 要求，故推测处于水解发酵与甲烷化之间的产氢产乙酸 阶段更有可能是厌氧消化的主要限速步骤。 并且在厌氧发酵系统稳定的情况下，相比产甲烷菌群代谢乙酸的能力，产氢产乙酸 菌群分解转化大分子酸为乙酸的能力更弱 7 4 , 7 8 】。因此，厌氧生物处理工艺中“酸化现 象”的产生主要是由产氢产乙酸阶段中分解转化大分子酸为乙酸的过程受限导致。即当 生态环境变化或遭受负荷冲击时，产酸发酵菌群会代谢出大量的短链脂肪酸( s c f a s ) ， 严重超出了现有生态位下h p a 的大分子酸转化能力，从而阻碍了h p a 的代谢生长，造 成s c f a s 中大分子酸的积累，并在甲烷化阶段产生连锁抑制，最终影响厌氧生物处理 工艺的正常运行。因此，对h p a 在内的各类产乙酸菌群进行生理生态方面的研究和产 酸的工程调控分析研究，可为污泥的厌氧发酵提供重要的理论依据和技术支撑。 1 3 温度阶段厌氧消解酸化系统( t p a d s ) 的研究 从严格意义上讲，温度阶段厌氧消化系统【_ 7 9 】( t p a d s ) 是提高污泥厌氧消化效率和 过程稳定性的预处理系统，且污泥中有机质的水解溶出过程是通过强化生物水解活性来 实现的。在一定程度上，更易于实现高附加值生物化学品的获取，在利用污泥厌氧发酵 来实现污泥的资源化与减量化方面更具有一定的开放性和实用价值。 近年来，对厌氧过程反应动力学的深入研究证实，在菌群生长动力学峭u j 和挥发性脂 肪酸代谢动力学模型【8 1 1 方面，厌氧生物处理与好氧生物处理【8 2 】存在一定的关联性：高生 物量均是保证厌氧反应系统高效稳定运行的前提。t p a d s 从某种意义上讲，属于多级 厌氧发酵技术中的一种，可有效的提高剩余污泥中生物产酸量和系统生物量。g u o 等瞵驯 开发的一种新型工艺多级逆流发酵技术，与传统厌氧发酵技术相比，多级逆流发酵 工艺中s c f a s 的含量提高了3 1 。 1 绪论 硕士论文 在剩余污泥的厌氧发酵过程中，会产生以微生物为中心的胞外聚合絮状体结构，这 类物质是由微生物和多聚物组成的复杂生物聚合物( e p s ) 【8 4 ，8 5 。e p s 的存在可抑制污 泥的分解、水解特性，不利于污泥的厌氧发酵产酸。故而，需要进行污泥预处理过程， 提高污泥的水解效率，使有机质充分水解溶出。t p a d s 在提高厌氧发酵产酸效率的同 时，亦提高了过程稳定性，并伴随着较高的生物量。与传统的厌氧发酵系统相比，t p a d s 将传统的厌氧消化过程( a d ) 8 6 】分成了两个阶段：污泥高温厌氧消解酸化阶段，定 向优化污泥中大分子有机质的水解速率和发酵消化产酸效率，为后续厌氧发酵产酸提供 基础条件；污泥中温厌氧消解酸化阶段，调控污泥厌氧菌群的代谢过程，实现工程工 艺的稳定性和高效产酸。 据国内外学者对t p a d s 的研究分析，t p a d s 的高温段主要是依赖于提高微生物的 水解活性来提高污泥中有机质的溶出，中温段则在进行少量水解溶出的同时，主要依靠 高温段的有机基质进行微生物的代谢活动，提高消化效率，实现工艺的稳定性。g eh 等【8 7 】对初沉污泥温度二阶段厌氧消化系统进行了研究分析，研究中t p a d s 的高温段设 定为5 0 7 0 ，中温则为3 5 ，报道指出，与中温( 3 5 ) 中温( 3 5 ) 二阶段 厌氧消化系统相比，甲烷产量提升了2 5 ，挥发性固体的去除率也有显著增加；并且经 过系统的模型分析，污泥消解性能的改善主要依赖于污泥水解性能的增强。 就目前的研究显示，t p a d s 还未被大规模应用，但对于去除污泥中病原菌、挥发 性固体，提高工艺稳定性、有机负荷率、s c f a s 和甲烷沼气产率等方面具有很大的潜在 优势。通过以上研究分析，若基于t p a d s 从剩余活性污泥中获得附加值更高的生物化 学品( 如v s c f a s ) ，则需要对t p a d s 厌氧发酵过程中微生物菌群的代谢规律进行研究 分析，强化菌群的工程控制基础，以实现污泥的资源化与减量化发展。 1 4 课题的主要研究内容 1 4 1 课题来源及研究意义 如前所述，在剩余污泥的资源化与减量化应用中，挥发性短链脂肪酸( v s c f a s ) 作为重要的代谢产物和发酵基质，具有较高的生物附加值，其产物附加值不仅高于生物 氢，而且还远大于甲烷，成为了国内外研究的焦点。同时，作为主要生产v s c f a s 的产 氢产乙酸阶段是剩余污泥厌氧消解酸化中不可或缺的中间过程，且菌群在营养生态位上 起着承上启下的作用，可为发酵后续阶段和反硝化阶段提供易被利用的碳源，从而实现 对系统的调控作用。但是当产酸发酵菌群代谢出大量的v s c f a s ，酸的大量累积将严重 超过了现有生态位下菌群的转化能力和承受范围，从而阻碍了产乙酸菌群的代谢生长， 造成v s c f a s 中大分子酸的积累，并最终影响厌氧生物处理工艺的正常运行。故而，若 在不影响系统工艺正常运作的前提下，提高污泥厌氧发酵中的产酸效率，实现污水处理 硕士论文 剩余污泥中，高温厌氧消解酸化系统中特效产酸菌的选育 厂内剩余污泥的原位资源化和减量化，关键点在于提高产乙酸菌群的功能作用，强化产 酸的工程调控分析。 本研究以厌氧剩余活性污泥为出发对象，将温度阶段厌氧消解酸化系统( t p a d s ) 改进为中高温厌氧消解酸化系统( m t p a d s ) ，并基于此系统，利用底质中环境条件 的选择性作用，进行特效产乙酸菌株的选育工作，探索产乙酸菌株的产酸特性，并对其 种群结构进行解析，以期为工程应用和剩余污泥的资源化应用提供技术支撑。 1 4 2 研究内容 本课题以实现污水处理厂内剩余污泥的原位资源化与减量化为最终目标，构建中 高温厌氧消解酸化系统( m t p a d s ) ，提高产酸效率和系统稳定性。主要着力于四个方 面的研究：m t p a d s 中产酸指标分析；产乙酸菌的分离纯化研究；特效产酸菌的分子 生物学研究；特效产酸菌的产酸特性分析研究。具体内容如下： ( 1 ) 剩余污泥中高温厌氧消解酸化系统( m t p a d s ) 的构建 主要包括高温厌氧消解酸化段中温厌氧消解酸化段稳定参数的研究。在 m t p a d s 的高温段中加入剩余活性污泥，调节适宜的厌氧环境条件，对污泥中的有机 质进行水解溶出。以高温段的污泥有机质为基质泵入中温段中进行微生物代谢转化和酸 量维持，以v s c f a s 的产量为主要指标，采用离子色谱法( i o nc h r o m a t o g r a m ，i c ) 测 定中温段中每阶段的v s c f a s 含量，并检测中温段的t o c 和p h 等变化规律，以探索系 统中剩余污泥发酵稳定情况，为后续产乙酸菌的选育提供稳定基础条件和高生物量。 ( 2 ) 产乙酸菌的分离纯化研究 基于m t p a d s 的中温厌氧消解酸化段，移取具有完整厌氧消化功能的剩余活性污 泥乳浊液，通过以丙酸和丁酸为碳源的选择性培养基对菌液进行富集培养，以最优产酸 性能的选择培养基中菌液为对象进行分离、纯化，并对菌液富集过程中的代谢产物进行 检测分析。 ( 3 ) 特效产酸菌的分子生物学研究 针对特效产酸菌株的分子生物学方面进行了研究分析。为了揭示m - t p a d s 的厌氧 发酵产酸规律、功能与菌株的分子生物学之间的关系，研究采用1 6 sr d n a 的基因鉴定 技术，对选育出的产酸菌株进行了微生物结构解析，获得了最有产酸菌的基因序列，进 而在研究其维持系统工艺稳定性的同时，强化其对系统的工程调控作用，以提高其在系 统内的厌氧发酵产酸效能。 ( 4 ) 特效产酸菌的产酸特性分析研究 由于系统中不同碳源、氮源，c n ，p h 和温度等均可影响菌株的代谢活性，从而可 降低系统生物量，阻碍了系统的工艺稳定性。因此，研究针对特效产酸菌的产酸特性进 行了阐述。主要考察了特效产酸菌对碳源和氮源的需求，以及c n 、温度和p h 等环境 9 1 绪论 硕士论文 因素对菌株代谢产酸的影响，探索出最适宜菌株生长代谢的环境生态条件，以促进厌氧 发酵产酸，为后续的工程应用提供技术支撑。 1 4 3 研究的技术路线 本课题研究工作主要以文献调研、现场取样和研究分析为基础，充分了解国内外关 于剩余污泥“三化”方面的研究进展。现采用新型的剩余污泥中高温厌氧消解酸化系统 以实现污泥的厌氧发酵产酸效益。具体技术路线在图1 4 中进行了详细的阐述。 u 厌氧剩余活性污泥 b = 竺 钐心 目标：v s c f a s 的稳定性积累， 实现x y a s 的资源化与减量化 注：m 一t p a d s 中高温厌氧消解酸化系统；、7 l ，a s 剩余活性污泥；s c f a s 短链脂肪酸。 图1 4 研究技术路线图 f i g 1 4t e c h n i c a lr o u t eo ft h er e s e a r c h 1 0 2 剩余污泥中高温厌氧消解酸化系统的构建 据国内外学者对中高温厌氧消解酸化系统( m - e p a d s ) 的研究分析，m t p a d s 的高温段主要是依赖于提高微生物的水解活性来提高污泥中有机质的溶出，中温段则在 进行少量水解溶出的同时，主要依靠高温段的有机基质进行微生物的代谢活动，提高消 化效率，实现工艺的稳定性。本章节主要是在m t p a d s 从构建至稳定阶段中，对系统 内各指标的稳定情况进行检测分析。 2 1 材料与方法 2 1 1 试验材料来源 m t p a d s 中的剩余活性污泥采用现场取样的方式，主要取自南京市城东污水处理 厂二沉池中活性污泥。经重力沉降作用，将剩余污泥浓缩至2 5 - - 3 5 ，放入4 c 冰箱 中进行保存8 8 1 ，以备后续研究分析。剩余活性污泥的初步性质检测如表2 1 所示。 表2 1 剩余活性污泥的基本性质 t a b l e2 1g e n e r a lc h a r a c t e r i s t i c so f w a s t ea c t i v a t e ds l u d g e ( w a s ) 剩余活性污泥性质参数参数值 含固率 p h 总固体残渣( t s ) g l 1 挥发性固体( v s ) g l 。1 溶解性总有机碳( s t o c ) m g - l 1 溶解性化学需氧量( s c o d ) m g l “ 溶解性挥发性脂肪酸( s s c f a s ) m g l 。 2 1 2 试验仪器与设备 在剩余污泥中高温厌氧消解酸化系统的构建研究中，实验涉及的主要相关仪器和设 备如表2 2 所示。 表2 2 实验相关仪器与设备 t a b l e2 2e x p e r i m e n t a li n s t r u m e n t sa n de q u i p m e n t s 5 m 0 0 d 儿 i l 3 2 叠 吼 l 坳 出 娃 娃 泄 心 湖 一 一 一 一 一 一 一 3 & 2 m m 2 剩余污泥中高温厌氧消解酸化系统的构建硕士论文 表2 2 续 2 1 3 试验所需药品 本章研究过程中，主要用到的实验药品如表2 3 中所示。 表2 3 试验所需药品 t a b l e2 3c h e m i c a l sn e e d e df o rt h ee x p e r i m e n t 2 1 4 剩余污泥厌氧发酵预处理 取部分预处理的冷藏剩余活性污泥进行水浴预热至室温，再将种泥在10 5 。c 煮沸2 h ， 以杀死污泥中含有的产甲烷菌【8 9 , 9 0 】，在无菌无氧环境下，分别加入至m t p a d s 的高温 段和中温段反应器。接着充入9 9 9 9 9 的高纯氮气5 m i n 以除去剩余污泥中的氧气，迅 速密封后，接入系统装置中进行厌氧发酵，从而建立起了中高温厌氧消解酸化系统 ( m t) 。 1 2 2 2 剩余污泥中高温厌氧消解酸化系统的构建 由于中高温厌氧消解酸化系统( m t p a d s ) 包含两个方面的研究：高温厌氧反应 器( t h e r m o p h i l i ca n a e r o b i cr e a c t o r , t a r ) 和中温厌氧反应器( m e s o p h i l i ca n a e r o b i cr e a c t o r , m a r ) 。故而，这组反应器中预处理的厌氧发酵种泥需根据各自反应器条件的不同而有 所差异。 2 2 1 高温厌氧消解酸化反应装置 在初始反应体系高温厌氧反应器( t a r ) 中加入8 0 0 m l 预处理过的剩余活性污泥 ( w a s ) ，并加入相对应的厌氧营养基质( c ：n ：p = 2 0 0 ：5 ：1 ) ，进行高温段反应器中有机质 的溶出过程。此反应器中的主要运行参数如表2 4 所示。 表2 4 高温厌氧反应器中剩余污泥的运行参数 t a b l e2 4o p e r a t i n gp a r a m e t e r so fw a si nt a r 运行参数参数值 有效容积m l s 瓯| d t p h 进泥初始t s 运作方式 其中，在后续的厌氧发酵过程中，泵入t a r 中的剩余污泥为预处理的原始污泥， 进泥量为l o o m l ，经过7 d 的活化培养，从t a r 中取发酵后的污泥样l o o m l ，1 2 1 灭 菌，以杀死有机质中的菌群和芽孢，接着通入高纯氮气5 m i n 进行驱氧工作，迅速密封 后放于4 c 下保存。 2 2 2 中温厌氧消解酸化反应装置 在中温厌氧反应器( m a r ) 中加入2 0 0 m l 预处理过的初始厌氧污泥，同时，加入 相对应的厌氧营养基质( c ：n ：p = 2 0 0 ：5 ：1 ) ，进行中温段的厌氧发酵产酸分析。在此过程 中，反应装置的主要运行参数如表2 5 所示。 表2 5 中温厌氧反应器中剩余污泥的初始运行参数 t a b l e2 5i n i t i a lo p e r a t i n gp a r a m e t e r so fw a si nm a r 运行参数参数值 有效容积m l 骶| h t 2 0 0 1 2 3 5 巧 5 样跏2一一 2 剩余污泥中高温厌氧消解酸化系统的构建硕士论文 表2 5 续 运行参数参数值 p h 进泥初始t s 运作方式 经过t a r 中一段时间的厌氧发酵，取出的基质样经过上述预处理后，取2 5 m l 泵 入m a r 中，实现m t p a d s 的完整运行，同时再从m a r 中移取2 5 m l 中温污泥乳浊 液，在1 2 1 下灭菌，离心后，取中温发酵无菌上清液( s u p e m a t a n tf l u i do fm e s o p h i l i c a n a e r o b i cr e a c t o r ，s f m a r ) 过0 2 p r o 滤膜进行各项稳定因素指标的分析检测，在 m t p a d s 的构建过程中，定时对m a r 中各项指标进行检测，直至系统达到相对稳定 阶段。m t p a d s 装置图如图2 1 所示。 固 注：1 ，精密蠕动泵；2 ，高温厌氧反应器( t a r ) ；3 ，电动搅拌机；4 ，中温厌氧反应器( m a r ) ： 5 ，高温厌氧反应器排气阀：6 ，中温厌氧反