（环境工程专业论文）慢性生长菌的分离及其在污泥减量化中的作用效能评价.pdf

：一f ，j 一， 独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研究 工作所取得的成果。据我所知，除了特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。对本人的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本声明的法律结果由本人 承担。 学位论文作者签名： 日期：挫。堑：! ! 学位论文使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文的规 定，即：东北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北师范大学可以将 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其它复制手段保存、汇编本学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：j 二 e l 期：推地 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 指导教师签名： 日期： 电话： 邮编： 摘要 随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，使城市污水排放量增加，导致 剩余污泥产量大量增加，如何将剩余污泥减量并达到较高的处理指标要求是当今 污泥处理处置问题研究的核心。目前，人们应用物理、化学和生物方法使剩余污 泥减量，但物理方法耗能较大，化学方法投入的化学物质可能给环境带来二次污 染，存在经济和环境两方面的问题，而利用生物方法对污泥进行减量，能耗低、 不产生二次污染，所以开发了以减少污水处理系统内微生物净增值量为核心的多 种剩余污泥减量化技术。 本文以占有剩余污泥较大比重的细菌为研究出发点，主要研究慢性生长菌对 污泥减量的贡献。细菌通过分解污泥中的有机质而使污泥无害化，慢性生长菌有 其自身的分解代谢强于合成代谢的特点，而使系统内微生物净增值量减少达到污 泥减量。实验从剩余污泥中分离出两种生长相对较慢的细菌，应用两种单一茵与 其他三种相对生长较快的单一菌在相同的环境条件下对人工废水降解，对比它们 的处理效果。实验得出慢性生长菌3 号不动杆菌m o r a x e l l a c e a e ；a c i n e t o b a c t e r 对 c o d 和t - p 去除效果较好，5 号泡囊短波单胞菌b r e v u n d i m o n a ss p 对t - n 和t - p 去除效果好的结果。同时以人工废水为基质，从温度，p h 值，曝气量，接种量 四个条件做单一因子实验，确定五种单一菌各自的最佳生长条件。 关键词：慢性生长菌；c o d ；曝气量 a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m ya n dt h ei m p r o v i n go fp e o p l e sl i v i n g s t a n d a r d s ，i n c r e a s i n gt h ed i s c h a r g eu r b a ns e w a g e ，r e s u l t i n gi nas u b s t a n t i a li n c r e a s ei n p r o d u c t i o no fe x c e s ss l u d g e h o wt om a k et h ee x c 煅s l u d g ed e c r e m e n ta n da c h i e v e t h eh i g hp r o c e s s i n gt a r g e ti sr e s e a r c hc o r eo ft h es l u d g et r e a t m e n ta n dd i s p o s a lt o d a y a tp r e s e n t , p e o p l eu s ep h y s i c s ，c h e m i s t r ya n dt h eb i o l o g i c a lm e t h o d st ot h er e d u c e e x c e s ss l u d g e ，b e c a u s et h ep h y s i c a lm e t h o dn e e dal a r g e re n e r g y - c o n s u m i n g ，t h e c h e m i s t r ym e t h o dp u ts o m ec h e m i c a ls u b s t a n c ei n t ot h ew a t e rm a yb r i n g st h es e c o n d p o l l u t i o nt o t h ee n v i r o n m e n t , s ot h a te x i s tb o t he c o n o m ya n dt h ee n v i r o n m e n t q u e s t i o n s u s i n gt h eb i o l o g i c a lm e t h o df o rs l u d g er e d u c t i o n , t h ee n e r g yc o n s u m p t i o n i sl o w , a n dd o e sn o th a v et h es e c o n dp o l l u t i o n , s os o m et e c h n o l o g i e sh a v ed e v e l o p e d t or e d u c et h en e tv a l u eo ft h ea m o u n to fm i c r o o r g a n i s m sw i t h i nt h es e w a g et r e a t m e n t s y s t e ma st h ec o r eo f a v a r i e t yo f r e s i d u a ls l u d g er e d u c t i o n t h ep a p e rs t a r tt h es t u d yf r o mt h eb a c t e r i aw h i c hh o l dg r e a tp r o p o r t i o no ft h e e x c e s ss l u d g e ，t h ec h r o n i cg r o w t hb a c t e r i ah o wt oc o n t r i b u t et os l u d g ed e c r e m e n tw a s m a i n l y r e s e a r c h e d b a c t e r i u m sc a u s e st h e s l u m d e t o x i f i c a t i o n t h r o u g h d e c o m p o s i t i o ns l u d g e i no r g a n i cm a t t e r , t h ec h r o n i cg r o w t hf u n g u sh a si t so w n c h a r a c t e r i s t i ct h a tt h ec a t a b o l i s mi sm o r es t r o n g l yt h a nt h es y n t h e s i sm e t a b o l i s m ，t h a t m a k et h en e tg a i n i n go ft h em i c r o o r g a n i s mr e d u c e si nt h es y s t e ma n da c h i e v e st h e r e s u l to fs l u d g ed e c r e m e n t t h ee x p e r i m e n th a v es e p a r a t e dt w ok i n d so fg r o w t h r e l a t i v e l ys l o w l yb a c t e r i af r o mt h ec x c e , s ss l u d g e ，u s et h et w os i n g l e - b a c t e r i aw i t ht h e o t h e rt h r e es i n g l eb a c t e r i u mw h i c hh a v er a p i dg r o w t hr e l a t i v e l yt om a k et h ea r t i f i c i a l w a s t ew a t e rd e g r a d a t i o nu n d e rs a m ee n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n ，c o n t r a s t st h e i r p r o c e s s i n ge f f e c t t h ee x p e r i m e n to b t a i n s t h er e s u l tt h a t n o 3 m o r a x e l l a c e a e ； a c i n e t o b a c t e rh a v et h eg o o de l i m i n a t i o ne f f e c to nc o da n dt - p , n o 5 b r e v u n d i m o n a s s p h a v et h eg o o de l i m i n a t i o ne f f e c to n t - na n dt - ea tt h es a m et i m eu s et h ea r t i f i c i a l w a s t e w a t e ra sas u b s t r a t e ，f r o mt h et e m p e r a t u r e ，t h ep hv a l u e ，t h ea e r a t i o nq u a n t i t y , t h ev a c c i n a t i o nm e a s u r e sf o u rc o n d i t i o n st od ot h e s i n g l e - f a c t o re x p e r i m e n tt o d e t e r m i n et h er e s p e c t i v eo p t i m u mg r o w t hc o n d i t i o n so ft h ef i v ek i n d so fs i n g l e b a c t e r i a k e yw o r d s ：c h r o n i cg r o w t hb a c t e r i a ；c o d ；a e r a t i o n 摘 要 a b s t r a c t 目录 引言 目录 一i - i i 第一章绪论 v 1 1 1 剩余污泥的特征1 1 2 剩余污泥对环境的影响1 1 3 剩余污泥的处理现状2 1 3 1 卫生填埋一2 1 3 2 污泥焚烧2 1 3 3 土地利用”2 1 3 4 剩余污泥的其他处理方法3 1 4 污泥减量化技术研究进展3 1 4 1 强化隐性生长4 1 4 2 解偶联技术5 1 4 3 生物捕食7 1 4 4 微生物强化8 1 5 本论文的研究背景、目的和意义8 第二章慢性生长菌的分离及鉴定一9 2 1 慢性生长菌的分离9 2 1 1 菌源及培养基9 2 1 2 慢性生长菌的富集1 1 2 1 3 慢性生长菌的分离”1 1 2 2 慢性生长菌的鉴定”1 1 2 2 1 慢性生长单一菌d n a 的提取1 1 2 2 2 慢性生长单一菌d n a 的常规p c r 扩增1 2 2 2 3p c r 产物纯化回收与测序”1 3 第三章慢性生长菌对污泥减量的效能实验 1 4 3 1 各单一菌的生长曲线测定1 4 3 2 五种单一菌对人工废水降解效能对比”1 4 i n 3 2 1 人工废水的配制及菌悬液的制备1 4 3 2 2 五种单一菌同步对人工废水降解实验1 5 3 3 确定各单一菌最佳生长环境的实验条件1 5 3 3 11 号菌的最佳生长环境的实验条件1 6 3 3 22 号菌最佳生长环境的实验条件1 6 3 3 33 号菌最佳生长环境的实验条件1 6 3 3 44 号菌最佳生长环境的实验条件1 7 3 3 55 号菌最佳生长环境的实验条件”1 7 第四章数据分析及实验结果 1 8 4 1 各单一菌鉴定结果1 8 4 2 各单一菌的生长曲线1 8 4 - 3 五种单一菌对人工废水降解效能对比实验结果2 1 4 3 1 五种单一菌对人工废水c o d 的降解情况2 1 4 3 2 五种单一菌处理人工废水n 变化情况2 2 4 3 3 五种单一菌处理人工废水t - p 变化情况2 2 4 3 4 五种单一菌处理人工废水处理能力分析2 3 4 4 各单一菌最佳生长环境的确定2 3 4 4 1 鞘氨醇杆菌( 1 号菌) 最佳生长环境的确定2 4 4 4 2 恶臭假单胞菌( 2 号菌) 最佳生长环境的确定”3 0 4 4 3 不动杆菌( 3 号菌) 最佳生长环境的确定3 6 4 4 4 黄杆菌( 4 号菌) 最佳生长环境的确定4 2 4 4 5 泡囊短波单胞菌( 5 号菌) 最佳生长环境的确定4 8 第五章结论与建议 5 1 结论”5 4 5 2 建议”5 5 参考文献一一一”一5 6 后 记一一一59 己l 吉 丁i口 随着污水生物处理技术的应用与普及、现有的处理工艺不断升级改造，大大 增加了污水处理过程中产生的剩余污泥量。虽然剩余污泥产量占所处理污水量的 比例很小，但是它们的处理、处置费用却高达污水处理厂总运行费用的5 0 t 删。 因此，处理、处置剩余污泥是各国面临的一个迫切的环境问题，这也推动了剩余 污泥减量化技术在全球范围内的研发热潮。本论文在课题组已有的研究基础上， 以污泥中占大部分比重的细菌为出发点，研究相对生长较慢细菌对污泥减量的作 用效能。 东北师范大学硕士学位论文 第一章绪论 剩余污泥来源于废水处理过程中剩余的活性污泥或生物膜，其颜色常为灰色 或深灰色，比重比水稍重、颗粒较细、含水率较高且脱水性能较差【3 】。它主要是 由具有活性的微生物、微生物自身氧化的残余物及吸附在活性污泥表面上尚未降 解或难以降解的有机物和无机物四部分组成【4 】。其中以活体微生物为最主要的组 成部分，它包括细菌、真菌、原生动物和后生动物等多种微生物【5 1 。 1 1 剩余污泥的特征 近年来，随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，城市生活污水的处理 程度也迅速提高，由于污水排放量的增加，在污水得到净化的同时，污水中的被 分离出的污染物质污泥的产量也在增长，所以城市污水污泥的处理与资源化 减量化已成为世界注目的环境问题。 城市污水厂污泥成分复杂，通常污泥具有含有机物多，性质不稳定，易腐化 发臭的特点。污水处理过程中许多有害物质富集到污泥中，所以污泥中重金属和 有毒有害污染物含量高。城市污水厂普遍采用活性污泥发及其各种变形工艺，因 此污泥中含有较多的植物营养物素，有肥效，同时也含有病原菌及寄生虫卵等。 1 2 剩余污泥对环境的影响 由于污水中的大部分污染物是通过生物转化为污泥去除的，所以污泥中含有 覆盖面很广的各类污染物质，其中包括各种重金属、微量高毒性有机物( p c i 弧、 a o x 等) 、大量的各种致病微生物( 致病细菌、病菌体、寄生虫卵等) 以及一般 的耗氧性有机物和植物养分( n 、p 、k ) 等。这些污泥如果不进行有效的处理就 作为农业利用，将对地下水和地表水造成污染，严重的可导致环境污染事故。 污泥中含有大量的n 、p 、k 、c a 及有机质，这些有机养分和微量元素可以 明显改变土壤的理化性质，增加氮、磷、钾的含量，同时可以缓慢释放许多植物 所必须的微量元素，具有长效性。污泥作为肥料可以减少化肥的施用量，降低农 业成本，减少化肥对环境的污染。但污泥中除了含有对植物有益的成分外，还可 能含有盐类、酚、氰、隔、汞、镍、砷、硫化物等多种有害物质。当污泥施用量 和有害物质含量超过土壤净化能力时，就可能毒化土壤，危害作物生长，使农产 品质量降低，甚至在农产品中的残留物超过食用卫生标准，直接影响人体健康。 东北师范大学硕士学位论文 污泥中含有部分带臭味的物质，有硫化物、氨、腐胺类等，任意堆放会向周 围散发臭气，对大气环境造成污染，不仅影响厂区周围居民的生活质量，也会给 厂内工作人员的健康带来危害1 6 。 1 3 剩余污泥的处理现状 剩余污泥中绝大部分由微生物菌体所组成，此外还含有很多病原微生物、寄 生虫卵、重金属离子等有害物质。因此，国际上在其处理处置的过程中，提出了 稳定化、减量化、无害化和资源化的要求。在这一趋势的引领下，堆放、排海等 传统的处理方法逐渐被淘汰，取而代之是一些更加安全、可靠的方法。总的来说， 剩余污泥经浓缩、脱水、稳定等预处理后的最终处置方法可分成卫生填埋、焚烧 和土地利用三类【5 j 。 1 3 1 卫生填埋 污泥的卫生填埋始于2 0 世纪6 0 年代，其过程是污泥经过灭菌处理后直接倾 倒于低地或谷地制造人工平原。卫生填埋操作相对简单，适用于质量较差的污泥， 且有投资费用较少，适应性强，容量大、见效快的特点【7 一。所以，过去许多发 达国家都采用此方法来处理剩余污泥，在我国，卫生填埋也是主要的污泥处置方 法。但卫生填埋也存在环境卫生问题：严重侵占土地，会产生渗沥水、臭气等二 次污染。如果防渗技术不够将导致潜在的土壤污染和地下水污染，该方法并不能 最终避免环境污染，只是延缓了产生时间【3 9 l 。另外，卫生填埋对场地地基渗透 系数及地下水水位要求较高，且需要大量运输费用和地基防渗处理费用，这些都 是污泥卫生填埋实施中的不利因素i l o j 。 1 3 - 2 污泥焚烧 污泥焚烧是一种可靠而有效的剩余污泥处置方法，它能使有机物全部炭化， 杀死病原体，最大限度地减少污泥体积，这对于日益紧张的土地资源来说是很重 要的 7 , l v l 。经过焚烧后，剩余污泥中的水分、有机物等都被分解，只剩下少量无 菌、无臭的无机残渣可用作沥青填料和轻质基材等建筑材料。由于污泥焚烧设施 投资大，处理费用高，有机物焚烧会产生二恶英等剧毒物质，焚烧烟气也需要迸 的土地利用主要 东北师范大学硕士学位论文 是堆肥，利用污泥的微生物进行发酵，微生物群落在潮湿环境下能将多种有机物 氧化分解并转化为类腐殖质类物质【1 2 1 。由于剩余污泥中含有丰富的有机物和n 、 p 、k 等营养元素，同时含有植物所必须的c a 、m g 、c u 、z n 等微量元素，能够 改良土壤结构，增加土壤肥力，促进植物的生长，所以剩余污泥可用于农田施肥， 也可与城市垃圾、城市通沟污泥、粉煤灰等混合堆肥，再制成复合肥，综合利用 i l 引，在我国，这一工作开展得也比较早。 剩余污泥也可用于造林或成林施肥，由于林地缺乏养料，可使过量的n 、p 得以充分利用，林地又远离人口密集区，所以是比较安全的土地利用方式。但是， 林地利用也存在着运输费用昂贵问题。 剩余污泥用于城市绿地及观赏性植物施肥，可以脱离食物链，同时又可以减 少运输费用，节约化肥、增加开花量和延长花期。但是，此种方法也同样存在着 卫生条件差、容易孽生蚊蝇、影响景观等不利因素【1 4 1 。 1 3 4 剩余污泥的其他处理方法 除了以上三大类的剩余污泥处置方法外，剩余污泥处理还有污泥干化和热处 理、海洋倾倒污泥干化等方法。其中污泥干化能使污泥显著减容，体积可以减少 为原来的1 6 - 1 5 ，产品稳定，无臭且无病原微生物，且处理后的污泥产品可以 用作肥料、土壤改良剂、替代能源等【1 2 1 。海洋倾倒操作简单，对于沿海城市来 说其处理费用较低。但随着人们生态环境意识的加强，越来越多地关注污泥海洋 倾倒可能对海洋生态环境存在影响，所以在许多国家和地区已经禁止使用。由于 污泥热干燥技术要求和处理成本较高，管理较复杂，所以这项技术只在发达国家 中应用较广【删。国内外还发展了一些新的剩余污泥处置技术：如利用净化污泥 加工成饲料喂鱼和养鸡，利用污泥制造陶粒、水泥、污泥砖等建筑材料，以及利 用蛆卿处理剩余污泥等1 5 ，圳。 1 4 污泥减量化技术研究进展 剩余污泥减量化是在二十世纪九十年代提出的，它主要由三部分组成：一是 原污水中未被分解的大分子有机物，二是在生物处理过程中产生的微生物茵胶 团，三是少量的固体无机物质。其中前两部分占剩余污泥中绝大部分比重，因此， 剩余污泥减量化主要从前两部分物质的减量着手。从机理上讲，污水生物处理系 统内的微生物主要以各种细菌为主，同时还存在一定数量的原生动物和后生动 物。其内源过程是细菌内部、细菌之间以及细菌同原生动物和后生动物之间的复 杂作用过程，涉及细胞维持、细胞死亡和溶解、隐性生长、原生动物和后生动物 捕食等【5 】。污泥减量化是将污泥作为内能源，将其消灭在废水处理系统中，从根 3 东北师范大学硕士学位论文 本上减少污泥的体积。 目前剩余污泥减量的方式可以分为物理方式、化学方式和生物方式。由于物 理方式需能量较大，化学方式需要投入的化学物质可能给环境带来二次污染，存 在经济和环境两方面的问题【1 7 1 。利用生物方式对污泥进行减量，由于其能耗低、 不产生二次污染而成为为一种生态工程技术受到关注。污泥减量化技术主要有以 下几种： 1 4 1 强化隐性生长 所谓隐性生长( c r y p t i cg r o w t ho rd e a t h 陀g e 北r a t i o n ) 是指微生物利用于自身细 胞溶解形成的二次基质生长，包含溶胞和生长两个过程【1 8 , 1 9 l 。其中污泥细胞自身 的解体是污泥降解的限速步骤，污泥减量过程利用各种溶胞技术，使细菌能够迅 速死亡并分解成为基质再次被其他细菌所利用而达到污泥减量【2 0 1 。通常的溶胞 作用包括各种化学、物理、生物及其相互联合的作用。 1 4 1 1 物理溶胞技术 1 ) 热处理 利用加热加速细胞溶解的研究，目前已经开展的包括和膜生物反应器相结 合的工艺( 中试) 【复啦! 1 。在不同温度下，细胞被破坏的部位不同：在4 5 c 6 5 3 2 时， 细胞膜破裂，rr n a 被破坏，5 0 c 7 0 时d n a 被破坏，在6 5 - 9 0 时细胞壁 被破坏，7 0 9 5 时蛋白质变性1 2 2 1 。c a n a l w s 2 3 l 等在膜生物反应器( m b r ) 处 理生活污水的小试研究中加人了一个热水解处理装置。研究表明，污泥经热水解 处理( 9 0 ，停留时间3 h ) 后大部分细胞被杀死并溶解，污泥产量减少了6 0 ， 污泥产率为0 1 7 k g m l s s k g c o d t 2 4 ，2 5 l 。 2 ) 超声波 超声波2 5 3 0 k h z 通过交替的压缩和扩张产生空穴作用，以微气泡的形成、 扩张和破裂达到压碎细胞壁、释放细胞内含物的目的【2 6 l 。超声波的作用受到液 体许多参数( 温度、粘度、表面张力等) 和超发生声波的设备影响，国内还没有 达到应用阶段阳, m l 。总体来说，超声波不如投加碱和加热处理相结合( p h = 1 0 ， 6 0 ，舢 ) 使细胞释放的溶解性有机物水平高【2 9 删。 3 ) 压力 压力溶胞的原理类似于超声波，细菌的细胞壁在机械压力的作用下破碎，从 而使细胞内含物溶于水中【勿。研究表明，在活性污泥的内源呼吸阶段使用压力 溶胞技术能减少剩余污泥的产量，同时还能减少丝状菌的种群，改善污泥的沉降 性能和污泥的脱水性能能1 2 9 ，3 1 1 。 4 东北师范大学硕士学位论文 1 4 1 2 化学溶胞技术 1 ) 臭氧 早在1 9 9 0 年前后日本就开始了该技术的研究，目前已有实际应用【3 2 l 。臭氧 溶胞原理是臭氧破坏不易被生物降解的细胞膜，使细胞内物质较快地溶于水中， 同时氧化不易水解的大分子物质，使其更容易被微生物所利用i 矧。s s k a i 3 4 1y 等 人的研究表明：回流速率为o 3 d - 1 ，臭氧浓度在0 0 2 m 9 0 3 m g s s 以上时，可以达 到污泥的完全减量化。 2 ) 氯气 利用氯气进行污泥减量的原理和臭氧相同，即利用其氧化性对细胞进行氧 化，促进细胞内物质较快的溶于水中凹, 3 s l 。s a b y 等人【蚓通过3 5d 的连续试验， 在投加氯量为0 0 6 6go 衫g m l s s ，接触时间1 1 0m i n 条件下处理污泥，发现曝 气池中的m l s s 在t s 中的比例略有降低( 降低5 1 0 左右) ，污泥絮体平均 直径由1 5 i lm 降低到3 i lm 左右，粒径分布更集中，氯化后污泥减量6 5 左右。 与臭氧溶胞技术相比，氯气比臭氧便宜，但氯气不能像臭氧那样1 0 0 达到污泥 减量，另外氯气能够和污泥中的有机物发生化学反应，生成三氯甲烷( t a m s ) 等 氯代有机物也是不容忽视的问题1 1 2 ，1 5 】。 3 ) 酸碱 酸或碱的作用是在抑制细胞活性的同时，使细胞壁溶解释放细胞内物质，使 其能够容易被其他活性污泥所利用【2 0 j 。相同p h 条件下，h 2 s 0 4 的溶胞效果要 优于h c l ，n a o h 的效果要优于k o h ，在不同p h 条件下，碱的效果要好于酸， 这可能是由于碱对细胞的磷脂双分子层的溶解要优于酸的缘故。如果将加热和碱 处理相结合( p a = 1 0 ，6 0 c ，2 0 m i n ) 阻丝朝，可得到较好的溶胞效果。 1 4 1 3 生物溶胞技术 生物溶胞技术是投加能分泌胞外酶的细菌对细菌进行溶胞，也可直接投加酶 制剂或抗菌素i 冽。酶能够溶解细菌的细胞，同时还使不容易生物降解的大分子 有机物分解为小分子物质，有利于细菌利用二次基质。投加的细菌可以从消化池 中选取，也可以从溶菌酶方面考虑1 1 硼，但是从经费上考虑向污水处理中投加酶 制剂或抗菌素是不太现实的。 1 4 2 解偶联技术 生物体合成和分解代谢是以a t p 为媒介，而a t p 是生物体氧化磷酸化过程 中产生的，加入解偶联剂使活性污泥的合成代谢和分解代谢被解偶联，分解代谢 产生的能量大部分被转变成热量，而不能有效地产生a t p ，从而抑制合成代谢， 但分解代谢的能力基本不受影响，微生物在氧化底物的同时，用于合成代谢的能 5 东北师范大学硕士学位论文 量减少，使自身合成速度减慢，表观产率系数降低，污泥产量减少渊。 1 4 2 1 微生物解偶联代谢 在某些条件下，如存在质子载体、重金属、异常温度和好氧厌氧交替循环 时，细菌呼吸超过了a t p 的产量，即分解代谢和合成代谢将不再由灯p 的合成 与分解反应偶联在一起，这样细菌在保持正常分解底物的同时，自身合成速度减 慢，使表观产率系数降低，达到降低污泥产量的目的【翊。s r o u t a m c r 提出在以下 5 种情况时微生物解偶联生长可能发生：( 1 ) 存在影响a t p 合成的物质( 解偶联 剂) ；( 2 ) 存在过剩能量，引起能量消耗( 高s 0 x 0 条件) ；( 3 ) 在过渡时期( 非稳态) 生长( o s a 工艺) ；( 4 ) 在不适宜的温度下生长；( 5 ) 有限制性基质的存在。其中前 4 种是通过解除新陈代谢中的能量偶联达到的，第5 种是通过解除新陈代谢中的 物质偶联达到的i 加，2 8 矧。 1 4 2 2 投加解偶联剂 解偶联剂分为人工合成解偶联剂和天然解偶联剂两种【1 2 , 4 0 1 。天然解偶联剂主 要是棕色脂肪和其他组织中的解偶联蛋白，存在于高等动物线粒体中【1 5 4 1 1 。对于 解偶联剂对微生物减量的研究，目前还是限于机理方面，研究表明投加解偶联剂 对污泥的表观产率系数会产生明显影响，但不同解偶联剂对微生物的减量效果不 同，在各种已报道的文献中，245 三氯苯酚( t c p ) 的减量效果最为明显【2 7 ，2 8 4 2 】。 1 4 2 3 高s o x e 比率 在高s o 猕条件下，底物过剩会引起合成代谢和分解代谢的解偶联，过量累 积后导致能量溢出，从而降低微生物产率系数。由于要求相对高的s 0 值( 8 1 0 ) 远远大于实际活性污泥法处理污水时的情况( f m = 0 0 5 - 0 1 ) ，高s o x o 条件下解偶 联还不能用于实际的污水处理。而且，在高s 呱0 条件下，微生物产生的不完 全代谢的产物还可能对整个处理过程产生影响【2 脚，2 8 l 。 1 4 2 4 改变污泥所处环境 通过交替改变污泥所处环境的厌、好氧状态，可对微生物的生长造成影响从 而减小微生物的总表观产率系别2 0 1 。目前研究的o s a ( o x i c - s e t t l i n ga n a e r o b i c ) 工 艺通过在常规活性污泥工艺中的污泥回流中形成一特定的厌氧段，从而给微生物 获a t p 不能立即用于 量被消耗【4 3 朋，4 5 1 。 东北师范大学硕士学位论文 1 4 2 5 其他解偶联技术 其他解偶联技术有升高温度、提高盐浓度和氧量等【冽。温度影响微生物的 新陈代谢，改变温度可获得较低的表观产率系数。在温度升高后，微生物提高了 分解有机物的能力，而在合成代谢方面却没有提高到相应水平，分解有机物增多 而获得的能量并没有完全用于合成自身，从这一点认为微生物发生了解偶联生长 【韧。污泥表观产率系数在2 3 c 时是0 3 5 ，而当温度升高到4 0 8 时，降为0 0 1 1 4 6 1 。 高盐浓度下( n a c i 浓度l o - 3 0 9 l ) 将影响微生物的呼吸速率。提高细胞内外n a + 浓度差，使得细胞必须提供额外能量用于维持体内n a + 浓度水平以满足正常的 生理活动的需要，这就消耗部分用于合成的a t p ，从而降低污泥的表观产率系数 m 。 1 4 3 生物捕食 1 4 3 1 微型动物对污泥减量作用 利用微型动物对污泥进行减量可从以下三个方面着手。一是直接利用微型动 物对污泥的摄食和消化作用，在减少污泥的容量的同时增加污泥的可溶性【1 5 1 。 原生动物中的附着型的种类如缘毛类纤毛虫，以及后生动物中的附着型的轮虫均 有较强的摄食悬浮性固体能力。二是利用微型动物在食物链中的捕食作用。从生 态学角度来看系统中食物链越长，能量损失就越多，可用于合成生物体的能量就 越少，最终形成的总的生物量也就越少1 1 2 , 2 0 , 2 7 1 。因此，延长食物链或强化食物链 中的微型动物的捕食作用都能达到减少剩余污泥产生量的目的 4 8 , 4 9 1 。三是利用微 型动物来增强细菌的活性或增加有活性的细菌的数量，从而提高细菌的自身氧化 和代谢能力娜1 1 。现阶段国内外利用微型动物减量的研究主要集中在寡毛纲环节 动物，如仙女虫、红斑瓢体虫、蚯蚓等体形较大的后生动物1 5 2 】。 1 4 3 2 两段法 两段法中第一段为分散细菌培养阶段( 分散培养反应器) ，促进分散细菌生长 的同时达到对污水中有机物的降解。其目的是使细菌高速降解有机物的同时不形 成菌胶团，其固体停留时间要小于细菌的世代时间；第二阶段为捕食阶段( 捕食 反应器) ，目的是促进原、后生动物的生长，此阶段要求污泥龄长于水力停留时 间【1 2 , 2 0 , 5 3 , 5 4 1 。两阶段法中第一阶段更有效地降解有机物。g h y o o t 1 5 , 5 5 1 等人在第二 段用膜作为保持微型动物的手段，研究了整个系统对污泥的减量和对污水的处理 效果时发现，污水中8 0 以上的c o d 是在第一阶段降低的。从整个系统看，污 泥的产率系数大大降低了。 7 东北师范大学硕士学位论文 1 4 4 微生物强化 微生物强化是基于天然系统的微生物并非全都是最有效的微生物【1 2 1 ，为了 提高处理厂的效率将特别选择的微生物菌株或用基因改进的菌株投放到污水处 理厂中，这种选择投放的菌株应能保持并强化天然存在菌株的活性从而优化和控 制微生物种群的平衡【5 ，2 8 】。外投微生物可以适应不同范围的污水，但只有最适宜 的微生物投入到系统中，才能存活。瑞士一家基础环境微生物公司利用外投微生 物处理不同类型的污水，其污水处理厂能减少1 6 的剩余污泥量1 1 5 5 6 j 。 1 5 本论文的研究背景、目的和意义 经过这些年的发展，污泥减量化技术主要分为物理法、化学法和生物法。每 种方法均各有特点，但均以不影响出水水质为前提。剩余污泥减量化技术可降低 污泥的处理与处置费用，降低环境负荷，提高运行效率，但同时也带来了运行环 境方面的影响和费用，必须综合评价。由于物理和化学的污泥减量方法一般是通 过机械的或者添加化学药剂的方法来浓缩污泥或降低污泥的产量，因而存在二次 污染，同时具有腐蚀性的化学药剂还会对设备有较高的要求，造成经济上消耗较 大，存在一定的推广难度。而本实验从活性污泥的食物链第一消费者细菌出 发，主要研究慢性生长菌对污泥减量的贡献，细菌通过分解污泥中的有机质而使 污泥无害化，慢性生长菌有其自身的分解代谢强于合成代谢的特点，在理论上这 就有可能实现保证在一定的污泥处理质量的条件下使污泥减量。 目前，各国对污泥处理处置问题已取得几乎一致的共识，即对剩余污泥不仅 仅采取消极被动的简单处理方式，而应优先利用污泥，尽可能挖掘污泥中所蕴藏 的物质与能量。从污泥中分离出慢性生长菌再应用到系统中，这样细菌的适应性 强，没有外来物质进入系统，同时与其他单一细菌比较在相等的分解能力下其合 成速率小从而实现减量，这不仅不用更改处理装置、省去了化学药物的投资，而 且操作简单，这在现实中也是有意义的。 东北师范大学硕士学位论文 第二章慢性生长菌的分离及鉴定 实验所用设备：超级工作台、低温高速冷冻离心机、恒温金属浴、便携式多 功能水质分析仪、恒温振荡培养箱、稳压稳流电泳仪、凝胶成像仪、制冰机、双 光源紫外检测灯b i - o - s i o n ，m o d e l l v d _ 1 0 0 0 、常规p c r 扩增仪、紫外可 见分光光度计等。 实验所用试剂较多，在此不一一列出，试剂配制方法均参照e 奥斯伯、r 布伦特等【5 7 】编写的精编分子生物学实验指南( 第三版) 及吴冠芸，潘华珍等 【删编写的生物化学与分子生物学实验常用数据手册。 2 1 慢性生长菌的分离 2 1 1 菌源及培养基 实验菌源为实验室运行的生物砾石接触氧化工艺系统内污泥，此工艺的泥种 取于长春市第二污水处理厂曝气池和二沉池，污泥经沉淀后接种于此工艺装置。 在此工艺稳定运行两个月后取剩余污泥作为菌源。 富集1 号培养基： 采用a m e r i c a nt y p ec u l t u r ec o l l e c t i o n ( a t c c ) 的p y gm e d i u m ，其组成如 表1 所示： 表1p y g m e d i u m 的组成成分 将培养基各成分溶解后，用l m o f l 的n a o h 调p h 到7 3 ，高压灭菌后备用。 富集2 号培养基( g l ) ：硝酸铵0 5 9 ，硝酸钠0 5 9 ，磷酸氢二钾0 5 9 ， m g s 0 4 7 h 2 0o 5 9 ，c a c l 2 6 h 2 0o 2 9 ，柠檬酸铁铵1 0 0 9 溶于1 0 0 0 r a l 蒸馏水 中，自然p h ，固体培养基加入1 5 的琼脂，高压灭菌后备用。 富集3 号培养基( g l ) ：m n c 0 32 o g ，牛肉膏1 0 ，f e ( n h 4 ) 2 ( s 0 4 ) 20 2 ， 9 东北师范大学硕士学位论文 柠檬酸钠o 1 5 ，酵母膏0 0 7 5 9 ，v i t a m i nb 1 25 0 1 0 6 。将除亚铁盐外的成分 溶于1l 蒸馏水，磁转子均匀搅拌后调p h = 7 2 ，1 2 1 灭菌2 0m i n 。将亚 铁盐溶液经o 2l im 滤膜过滤( d y n a g a r d ，u s a ) ，待培养基冷却至5 0 时加入， 再次短暂搅拌后倒入平板备用1 5 9 1 。 分离1 号培养基：采用a m e r i c a nt y p ec u l t u r ec o l l e c t i o n ( a t c c ) m s v p m e d i u m ，其组成成分如表2 所示： 表2m s v pm e d i u m 的组成成分 m g s 0 4 。7 h 2 0 o 0 6g o m 4 ) 2 s 0 4 0 2 4 9 c a c l 2 。2 h 2 0 0 0 6g1 0 r a mf e s 0 4 1 0m l k h 2 p 0 4 0 0 2g a g a r , n o b l e ( b d1 5 0g 2 1 4 2 3 0 ) n a 2 i - i p 0 4 0 0 3g d i s t i l l e d w a t e r9 8 4 0m l h e p e s 生物缓冲2 3 8 3g 剂 v i t a m i ns o l u t i o n 1 0m l 2 0 s o d i u m p y r u v a t e 5 0m l 丙酮酸钠 其中的v i t a m i ns o l u t i o n 的成分如表3 所示： 表3 v i t a m i ns o l u t i o n 的组成成分 1 0 东北师范大学硕士学位论文 用n a o h 调p h 到7 2 ，1 2 1 高压灭菌1 5 分钟后，冷却到大约5 0 时在无 菌的条件下加入下列过滤灭菌的液体： v i t a m i ns o l u t i o n ( 表3 成分) 1 0m l 2 0 s o d i u mp y r u v a t e 。( 丙酮酸钠) 5 0m 1 分离2 号培养基：o 5g f n i - 1 4 ) s 0 4 ，0 5 酊n a n 0 3 ，0 5 9 nk 2 i - i p 0 4 ，0 5g l m g s 0 4 7 h 2 0 ，1 0 o g a c i t r i ca c i d ( 柠檬酸) ，2 g as u c r o s e ( 蔗糖) ，1 0g at r y p t o n e ( 胰蛋白胨) ，4 7g lm n s 0 4 5 h 2 0 ( f o rm a n g a n e s e - o x i d i z i n gb a c t e r i a ) 或者5 9 g lf c s 0 4 。7 h 2 0 ( f o ri r o n - o x i d i z i n gb a c t e r i a ) ， a n do p t i o n a l l y l 5 2 0g la g a r ( 琼 脂) ，p h6 8 i 叫。 2 1 2 慢性生长菌的富集 将泥样依次稀释1 0 1 - 1 0 7 倍，混匀后在无菌操作台中用最后的三个倍数分别 取2 0 0ul 对应涂于三个1 号富集固体培养基的平板中，标记后置于恒温培养箱 中，2 5 富集培养。三日后观察均有菌落生长，且菌落密度较大，菌落表面湿润。 分别用接种环挑取板上的菌落于装有3 0 m l1 号富集液体培养基的5 m l 冻存 管中，共挑取进