城市污泥厌氧发酵产酸条件优化及其机理的研究

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1、摘要摘要城市污泥产生总量随着国民经济持续快速发展迅速地增加，因此发展经济有效的污泥处理处置技术迫在眉睫。由于污泥中含有较高的有机质，将这些廉价的有机质转化生产高附加值生物化学品，特别是挥发性脂肪酸不失为污泥资源化的一条新途径。这条新途径不仅可使污泥获得减量化、无害化处理，而且也使得污泥中的有机成分能够得到更好利用。本论文在确立合适底物污泥及最佳预处理技术的基础上，对厌氧发酵产酸的pH和底物初始C／N控制策略开展了研究，通过结合末端限制性片断长度多样性分子技术和荧光原位杂交技术对发酵产酸过程中的微生物种群结构和促使乙酸累积的微生物学机理进行了解析，并在检测形成挥

2、发性脂肪酸的代谢途径中的关键酶的活性基础上，进一步探讨了促使不同单酸累积的主要代谢途径。主要的研究结果如下：(1)直接利用污泥厌氧发酵产酸，发酵结束时蛋白质、碳水化合物和挥发性有机质三者的含量均超过67％。有机质转化率较低，导致挥发性短链脂肪酸的产率难以提高。(2)通过考察热．碱、超声波．碱、热．酸和超声波．酸预处理技术对污泥融胞效果的影响，发现两种碱处理方法能够显著改善高固体浓度的污泥有机质融出效率。污泥中有机质和蛋白类物质融出率分别达到60．2％～61．6％和66．8％～67．5％。此外，在热．碱和超声波．碱预处理后，液相中STOC和STN浓度相对于未处理

3、样增加倍数分别为7．62和4．97。两种碱处理技术不仅分解污泥最外层的絮状结构，而且能够破坏微生物的细胞结构，促使污泥颗粒粒径急剧变小，粒径小于17岬的污泥颗粒占总数50％以上。然而在超声波一酸和热一酸作用下，仅有部分的污泥絮状结构分解，污泥的颗粒粒径变化并不明显。(3)研究了污泥预处理后对厌氧发酵产酸效率的影响。热诫和超声波．碱预处理后的污泥厌氧发酵生成的总酸分别比未预处理污泥提高59．1％和68．2％，均显著高于两种酸预处理技术。可溶性蛋白质为两种碱处理污泥中VFAs产生的主要来源。此外，分析固相中有机质的含量在发酵过程中的变化，发现超声波．碱和热．碱预处

4、理阶段未融出的有机质在随后的厌氧发酵过程并未进一步水解酸化。不同于两种碱处理技术，热．酸和超声波．酸预处理后污泥的脂肪酸产率却低于未处理污泥。综合考虑预处理成本和产酸效率，确定热．碱为最佳的预处理技术。摘要(4)研究了pH对污泥预处理液中可溶性的蛋白质的沉降影响。结果发现，当pH值从12．O调节到3．0时，可溶性蛋白质的浓度在碱性条件下减小比较缓慢，在酸性条件下则转为迅速。此外，在pH值调节过程中沉降下来的大部分蛋白质在厌氧发酵产酸过程中并未被转化形成VFAs。(5)当调控厌氧发酵过程pH在3．O～12．0时，促使液相VFAs分布特征发生变化的原因是由于pH的

5、调控改变了厌氧微生物的种群结构。厌氧发酵过程pH条件不同，优势菌群也不相同。在pH值为12．O时，优势菌为颗粒链菌属(西口疗“，fc口饱砌)；pH为10．0时则演变为消化链球菌属(凡p『DJ抛p幻cDcc搬)；当发酵过程pH降为7．0和5．O时，梭菌属(C?Ds伊翮“所)却成为优势产酸菌；而pH值为3．0时优势菌则为芽孢杆菌属(B口cf刀螂)。(6)控制厌氧发酵产酸过程pH为10．0时，通过FISH技术检测发现产氢产乙酸菌的数量及其微少，相对丰度仅为总细菌的O．01％。乙酸的累积主要是消化链球菌属通过氨基酸之间的SticHalld反应形成的。pH为10．0的条

6、件不仅能够抑制产甲烷菌的活性，而且能够抑制硫酸盐还原菌的生长。同其它pH值条件下厌氧发酵产酸相比，控制厌氧发酵过程在pH值为10．O，可以显著改善污泥预处理的产酸效率，并维持稳定的酸产量。(7)调控发酵底物的初始C／N可实现不同发酵产酸类型。初始C／N在12～44时，形成的是乙酸型发酵类型：当初始C／N在56～69范围内时，可实现丙酸型发酵类型；而当C／N处于156～256时，则形成丁酸型发酵。不同发酵产酸类型的形成是由优势产酸菌群的改变导致的。C／N值在12～69范围内，H2和C02的增长都较为缓慢，但当C／N值提高到156～256时，二者的产率迅速提高。初

7、始C／N值影响VFAs累积的主要代谢途径。在低C／N值条件下，乙酸的累积主要是通过氨基酸之间的Stickland反应形成，而随着C／N值的增大，导致丙酸和丁酸累积的主要代谢途径转变为糖酵解的丙酮酸途径。关键词：城市污泥，挥发性短链脂肪酸，预处理，蛋白质，pH调控，C／N策略，微生物学机理，代谢途径ⅡAbstractIIlrecemyears，meaInomtofexcesssludgewaStewaterplantsincreasedvc巧rapidly谢t11produced丘omm嘶cipal觚dm删2Llthesust血ablea11df如tdevelo

8、pmemofecon凼nv恤CKna．