内源酶生物预处理强化污泥厌氧消化效能研究

　　内源酶生物预处理强化污泥厌氧消化效能研究第1章绪论1.1课题背景随着我国经济和城市化进程飞速发展，工农业生产和城乡人民生活用水需求急剧增长，生产生活过程中产生了大量的工业废水和生活污水。这些水中含有的污染物质种类、形式多样，数量庞大，如果这些污染物质不经过处理转化，直接排入自然水体，当污染物含量超过水体环境的承受能力时，将致使水体遭受严重污染，导致水质恶化，对环境造成极大的破坏。因此必须采用污水处理技术降解和转化污(废)水中的污染物质，尤其是有机污染物，减少其进入水体的数量，保护我们赖以生存和发展的水资源环境。十一五以来国家加大了对水环境治理的投资力度，极大地促进了污水处理行业的发展。根据住建部发布的《关于全国城镇污水处理设施2013年第一季度建设和运行情况的通报》显示，截至2013年3月底，我国累计建成城镇污水处理厂3451座，污水处理能力约1.45亿立方米/日，第一季度全国城镇污水处理厂累计处理污水102.6亿立方米，与2010年第一季度相比新增处理量28.8亿立方米。污泥是污水处理过程中产生的残渣，一部分是污水中的有机物等污染物被浓缩到污泥中，另一方面是生物方法处理污水时，微生物菌体繁殖、体积、数量增加。污水处理后经过固液分离，上部的出水被直接排放到水体环境，但是固体会被移除，以进一步的处理和最终的处置。污水的净化程度越高，污泥的生成量就越大，如采用深度处理(三级处理)工艺的污水厂，其污泥产量会比采用二级处理工艺的污水厂增加0.51.0倍[1]。随着我国污水处理事业的不断发展，污水处理量、处理效率及处理深度都会提高，相应的污泥产量也会显著增加。..1.2污泥处理处置现状（1）减量化。一般浓缩后的污泥中仍含有95%以上的水分，尽可能的减少污泥中的这部分水分、降低污泥体积，将利于后续的处理、利用和运输。（2）稳定化。污泥中含有大量的有机物，容易发生厌氧降解、腐败并散发恶臭。必须对污泥进行稳定化处理，使污泥中的有机物达到稳定。 （3）无害化。消除污泥中的病原体以及其他的有毒有害物质。（4）资源化。污泥中含有的大量生物质既是污染物，也是一种相对密集的能量资源。如果这些能量资源和营养元素被直接当做废物处理，是能源的一种浪费。研究人员的目光已经转向污泥的资源化，污泥的资源化就是充分利用和回收污泥中的能源和能量，变废为宝。我国目前积极开展污泥处理处置工程建设与示范，推广污泥厌氧消化产甲烷，污泥好氧发酵堆肥的土地利用。..第2章材料与方法2.1试验材料本试验所用污泥取自哈尔滨文昌污水处理厂二沉池。试验菌株均从哈尔滨文昌污水处理厂活性污泥中分离获得。剩余活性污泥的基本性质如表21所示。（1）初次富集培养基(L)：可溶性淀粉5g；蛋白胨1g；牛肉膏0.5g；NH4NO31g；NaCl5g；水1000mL；调pH至7.07.2。（2）淀粉酶产生菌的富集培养基：可溶性淀粉10g；NH4NO31g；K2HPO41g；MgSO47H2O0.5g；FeSO47H2O0.01g；NaCl0.5g；水1000mL，调pH为7.07.2，121℃灭菌20min。（3）蛋白酶产生菌的富集培养基：蛋白胨10g；NH4NO31g；K2HPO41g；MgSO47H2O0.5g；FeSO47H2O0.01g；NaCl0.5g；水1000mL，调pH为7.07.2，121℃灭菌20min。（4）固体分离培养基：1L二次富集培养基中加入18～20g琼脂粉作为分离培养基。（5）种子培养基(L)：蛋白胨10g；牛肉膏3g；NaCl5g；可溶性淀粉2g；pH为7.07.2，121℃灭菌20min。（6）斜面培养基(L)：蛋白胨10.0g；牛肉膏3.0g；NaCl5.0g；可溶性淀粉2.0g；1000mL的蒸馏水；调pH至7.07.2，121℃灭菌20min。（7）酪蛋白琼脂培养基(L)：酪素2g；KH2PO40.36g；MgSO47H2O0.5g；NaH2PO47H2O1.07g；NaCl0.16g；Trypticase0.05gZnCl20.014g；CaCl20.002g；；琼脂20g；1000mL的蒸馏水；调pH至6.57.0。.2.2实验方法 各种微生物在一定的条件下，形成的菌落具有一定的稳定性、专一性。对所筛选的产酶菌的菌落形态进行观察，用接种环取培养12h的菌液在营养肉汤培养基上划线，封口膜密封后将培养皿倒置，33℃培养1224h。待长出单个菌落后，观察菌落的形状、大小、表面状态、透明度、表面光泽、质地、颜色、隆起形状、边缘状况等。通过电子显微镜和透射电镜对菌株进行微观层面上的观察。光学显微镜观察：将受试菌株经涂片，固定，结晶紫染色，水洗，干燥后显微镜下镜检观察；使用的光学显微镜为OlympusBX51型。透射电镜观察：取少量的受试菌的液体培养物，加入等量的磷钨酸钠溶液(2%)，静置数分钟后，吸取菌悬液滴在铜网膜上。5min后，用滤纸吸取多余的水，室温下干燥。样品干燥后，置于低倍光学显微镜下观察，选取膜体完整、菌体分布均匀的铜网进行下一步的观察；使用的透射电镜为JEM1200EX型。第3章污泥内源酶产生菌株的筛选及产酶特性研究.....303.1引言........303.2菌种分离与筛选........313.3菌种鉴定.......343.4影响菌株生长与产酶特性的主要因素研究.........383.5菌株粗酶液酶学性质.......573.6本章小结.......64第4章内源酶投加方式对污泥预处理效果的影响.........654.1引言........654.2内源酶的污泥预处理效果初探.........654.3单一内源酶对污泥的预处理........694.3.1温度的影响....694.3.2处理时间的影响........734.4复配内源酶对污泥的预处理........764.5菌剂复配比例对污泥预处理效果的影响.......834.6本章小结.......84第5章预处理强化污泥厌氧消化及机制研究.....865.1引言........865.2预处理条件对污泥厌氧消化的影响........865.3机理分析.......945.4本章小结.....107第5章预处理强化污泥厌氧消化及机制研究 5.1引言第四章的研究结果表明：内源酶预处理能够促进污泥的水解和酸化，但与其他的预处理方法如超声、高压均质、臭氧、热、碱处理等相比较，水解能力有限。但是，不同的预处理破解污泥的作用机理不同，因此在有机物溶出效果相同的情况下，对污泥的厌氧消化性能的提高不同。Bougrier[54]等人比较了超声、臭氧、热等三种预处理对污泥的溶解及后续厌氧消化的影响。结果发现，在促进污泥溶解方面，热处理优于超声和臭氧处理。超声后污泥中有机物溶出率(SCOD/TCOD)约15%，臭氧处理2025%，热处理后4045%。而在促进污泥厌氧消化方面，最好的结果出现在超声以及热处理温度为170或190℃时，生物气产量分别提高了51%和59%。臭氧处理虽然能够使得污泥中2025%的有机物溶出，在后期厌氧消化中与未处理污泥相比，生物气产量仅提高了825%。这一研究表明，不同的预处理方法，对有机物的溶出能力不能代表其促进污泥厌氧消化的能力。因此本章研究了不同条件的内源酶预处理对污泥后续厌氧消化的影响。另外不同污泥预处理方法其作用机理存在差异，本节从预处理后污泥的粒径、表面形态等方面探讨了内源酶预处理污泥及促进后续厌氧消化的机理。结论水解酶因能作用于活性污泥中某些有机物质，因此能够降低固形物含量，改变污泥的消化特性。使处理过的污泥更容易和快速的转化为生物气或其它的高价值副产物。水解酶预处理污泥经济高效、容易操作，其产物对环境污染，成为一种新兴的预处理方法。本文从污泥中筛选、分离高效水解酶生产菌，并研究了菌株的生长、产酶特性及发酵动力学特征；考察了环境因素对其生长及产酶效能的影响；将菌株发酵获得的粗酶液用作内源酶，考察了单一内源酶及复配内源酶预处理，在不同温度和处理时间时对污泥处理效果的影响；考察了内源酶预处理对污泥厌氧消化的影响；探讨了内源酶处理污泥促进污泥溶解及促进厌氧消化的机理。本文所得到的主要结论如下：（1）分离筛选得到四株高效的产酶菌，且产酶遗传性稳定。经生理生化及16SrDNA鉴定表明，四株菌分别为枯草芽孢杆菌(Bacillussubtilis)、地衣芽孢杆菌(Bacilluslicheniformis)、嗜水气单胞菌(Aeromonashydrophila)、嗜水气单胞菌(Aeromonashydrophila)，分别命名为WYDF、WYZZ、WYC、WYE。 （2）各菌株适宜的产酶条件下，研究了菌株生长及产酶发酵动力学，结果表明WYDF、WYZZ、WYC、WYE的最大比生长速率()分别为0.4404、0.3896、0.5756和0.495h1；根据LuedekingPiret方程测定菌株WYDF、WYZZ和WYC属于产物生成与生长部分偶联型；各菌株粗酶液分离后电泳结果表明粗酶液是多种胞外酶的混合液。