城市污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸條件優(yōu)化及其機理的研究

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1、摘要摘要城市污泥產(chǎn)生總量隨著國民經(jīng)濟持續(xù)快速發(fā)展迅速地增加，因此發(fā)展經(jīng)濟有效的污泥處理處置技術(shù)迫在眉睫。由于污泥中含有較高的有機質(zhì)，將這些廉價的有機質(zhì)轉(zhuǎn)化生產(chǎn)高附加值生物化學(xué)品，特別是揮發(fā)性脂肪酸不失為污泥資源化的一條新途徑。這條新途徑不僅可使污泥獲得減量化、無害化處理，而且也使得污泥中的有機成分能夠得到更好利用。本論文在確立合適底物污泥及最佳預(yù)處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，對厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的pH和底物初始C／N控制策略開展了研究，通過結(jié)合末端限制性片斷長度多樣性分子技術(shù)和熒光原位雜交技術(shù)對發(fā)酵產(chǎn)酸過程中的微生物種群結(jié)構(gòu)和促使乙酸累積的微生物學(xué)機理進(jìn)行了解析，并在檢測形成揮

2、發(fā)性脂肪酸的代謝途徑中的關(guān)鍵酶的活性基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討了促使不同單酸累積的主要代謝途徑。主要的研究結(jié)果如下：(1)直接利用污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸，發(fā)酵結(jié)束時蛋白質(zhì)、碳水化合物和揮發(fā)性有機質(zhì)三者的含量均超過67％。有機質(zhì)轉(zhuǎn)化率較低，導(dǎo)致?lián)]發(fā)性短鏈脂肪酸的產(chǎn)率難以提高。(2)通過考察熱．堿、超聲波．堿、熱．酸和超聲波．酸預(yù)處理技術(shù)對污泥融胞效果的影響，發(fā)現(xiàn)兩種堿處理方法能夠顯著改善高固體濃度的污泥有機質(zhì)融出效率。污泥中有機質(zhì)和蛋白類物質(zhì)融出率分別達(dá)到60．2％～61．6％和66．8％～67．5％。此外，在熱．堿和超聲波．堿預(yù)處理后，液相中STOC和STN濃度相對于未處理

3、樣增加倍數(shù)分別為7．62和4．97。兩種堿處理技術(shù)不僅分解污泥最外層的絮狀結(jié)構(gòu)，而且能夠破壞微生物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，促使污泥顆粒粒徑急劇變小，粒徑小于17岬的污泥顆粒占總數(shù)50％以上。然而在超聲波一酸和熱一酸作用下，僅有部分的污泥絮狀結(jié)構(gòu)分解，污泥的顆粒粒徑變化并不明顯。(3)研究了污泥預(yù)處理后對厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸效率的影響。熱誡和超聲波．堿預(yù)處理后的污泥厭氧發(fā)酵生成的總酸分別比未預(yù)處理污泥提高59．1％和68．2％，均顯著高于兩種酸預(yù)處理技術(shù)?？扇苄缘鞍踪|(zhì)為兩種堿處理污泥中VFAs產(chǎn)生的主要來源。此外，分析固相中有機質(zhì)的含量在發(fā)酵過程中的變化，發(fā)現(xiàn)超聲波．堿和熱．堿預(yù)處

4、理階段未融出的有機質(zhì)在隨后的厭氧發(fā)酵過程并未進(jìn)一步水解酸化。不同于兩種堿處理技術(shù)，熱．酸和超聲波．酸預(yù)處理后污泥的脂肪酸產(chǎn)率卻低于未處理污泥。綜合考慮預(yù)處理成本和產(chǎn)酸效率，確定熱．堿為最佳的預(yù)處理技術(shù)。摘要(4)研究了pH對污泥預(yù)處理液中可溶性的蛋白質(zhì)的沉降影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)pH值從12．O調(diào)節(jié)到3．0時，可溶性蛋白質(zhì)的濃度在堿性條件下減小比較緩慢，在酸性條件下則轉(zhuǎn)為迅速。此外，在pH值調(diào)節(jié)過程中沉降下來的大部分蛋白質(zhì)在厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸過程中并未被轉(zhuǎn)化形成VFAs。(5)當(dāng)調(diào)控厭氧發(fā)酵過程pH在3．O～12．0時，促使液相VFAs分布特征發(fā)生變化的原因是由于pH的

5、調(diào)控改變了厭氧微生物的種群結(jié)構(gòu)。厭氧發(fā)酵過程pH條件不同，優(yōu)勢菌群也不相同。在pH值為12．O時，優(yōu)勢菌為顆粒鏈菌屬(西口療“，fc口飽砌)；pH為10．0時則演變?yōu)橄溓蚓鷮?凡p『DJ拋p幻cDcc搬)；當(dāng)發(fā)酵過程pH降為7．0和5．O時，梭菌屬(C?Ds伊翮“所)卻成為優(yōu)勢產(chǎn)酸菌；而pH值為3．0時優(yōu)勢菌則為芽孢桿菌屬(B口cf刀螂)。(6)控制厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸過程pH為10．0時，通過FISH技術(shù)檢測發(fā)現(xiàn)產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的數(shù)量及其微少，相對豐度僅為總細(xì)菌的O．01％。乙酸的累積主要是消化鏈球菌屬通過氨基酸之間的SticHalld反應(yīng)形成的。pH為10．0的條

6、件不僅能夠抑制產(chǎn)甲烷菌的活性，而且能夠抑制硫酸鹽還原菌的生長。同其它pH值條件下厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸相比，控制厭氧發(fā)酵過程在pH值為10．O，可以顯著改善污泥預(yù)處理的產(chǎn)酸效率，并維持穩(wěn)定的酸產(chǎn)量。(7)調(diào)控發(fā)酵底物的初始C／N可實現(xiàn)不同發(fā)酵產(chǎn)酸類型。初始C／N在12～44時，形成的是乙酸型發(fā)酵類型：當(dāng)初始C／N在56～69范圍內(nèi)時，可實現(xiàn)丙酸型發(fā)酵類型；而當(dāng)C／N處于156～256時，則形成丁酸型發(fā)酵。不同發(fā)酵產(chǎn)酸類型的形成是由優(yōu)勢產(chǎn)酸菌群的改變導(dǎo)致的。C／N值在12～69范圍內(nèi)，H2和C02的增長都較為緩慢，但當(dāng)C／N值提高到156～256時，二者的產(chǎn)率迅速提高。初

7、始C／N值影響VFAs累積的主要代謝途徑。在低C／N值條件下，乙酸的累積主要是通過氨基酸之間的Stickland反應(yīng)形成，而隨著C／N值的增大，導(dǎo)致丙酸和丁酸累積的主要代謝途徑轉(zhuǎn)變?yōu)樘墙徒獾谋嵬緩健ｊP(guān)鍵詞：城市污泥，揮發(fā)性短鏈脂肪酸，預(yù)處理，蛋白質(zhì)，pH調(diào)控，C／N策略，微生物學(xué)機理，代謝途徑ⅡAbstractIIlrecemyears，meaInomtofexcesssludgewaStewaterplantsincreasedvc巧rapidly謝t11produced丘omm嘶cipal觚dm刪2Llthesust血ablea11df如tdevelo

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