剩余污泥中/高温厌氧消解酸化中特效产酸菌的构建与产酸机理研究

With the increasing production of urban sewage treatment plants remaining sludge, the reduction and recycling of remaining sludge has become a difficult problem in urban construction process. The acid bacteria can use remaining sludge in metabolism to product acid in the medium/high temperture phased anaerobic digestion ,and short chain fatty acids (SCFAs) as metabolism product can provide carbon source which is susceptible to be used for sewage treatment plants.This project will construct acid bacteria based on medium/high temperture phased anaerobic digestion and acidification system of the remaining sludge, exploring acid production mechanism in this system, and realize the regulation of the acidification phenomenon of system. Mainly include: Through seed selecting acid bacteria in the medium/high temperture phased anaerobic digestion and acidification system of the remaining sludge, analysis the characteristics of acid production, constructing kinetic model of acid production, and guide the bacterial strain metabolism of remaining sludge in the system; through the 16S rRNA genetic testing of bacterial strains, interpret the arrangement code of the gene sequence, in combination with the characteristics and kinetic of acid production, reveal acid production mechanism of bacterial strains in this system,strengthening the engineering control of the system. With the development of this project, we can realize the effective acid production and control acidification degree of system,in the medium/high temperture phased anaerobic digestion and acidification system of the remaining sludge, which can provide technical support for making reduction in situ and resources of the remaining sludge within sewage treatment plant come true.

随着城市污水处理厂剩余污泥的产生量日益增多，剩余污泥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。特效产酸菌在中/高温厌氧消化中可利用剩余污泥进行代谢产酸，其代谢产物短链脂肪酸（SCFAs）可为污水处理厂提供易被利用的碳源。本项目将基于剩余污泥的中/高温厌氧消解酸化体系构建特效产酸菌，探索产酸菌的产酸机制，实现对系统酸化现象的调控。研究内容包括：通过在剩余污泥中/高温厌氧消解酸化系统中选育特效产酸菌，分析菌株的产酸特性，构建菌株的产酸动力学模型，指导菌株在体系中对剩余污泥的代谢；通过对菌株进行16S rRNA基因检测，解读菌株基因序列上的排列代码，结合其产酸特性和产酸动力学，揭示菌株在此体系下的产酸机理，强化菌株对体系的工程控制。本项目的开展，可在剩余污泥的中/高温厌氧消解酸化体系中，实现菌株的高效产酸及系统的酸化调控，为最终实现污水处理厂内剩余污泥的原位减量化和资源化提供理论依据。

利用剩余污泥发酵产生挥发性脂肪酸（VFAs）作为生物除磷脱氮所需的碳源，是实现污泥资源化，降低其环境污染的新途径。为了提高厌氧消化效率，本研究在污泥中/高温厌氧消解酸化系统中选育特效产酸菌，探讨了特效菌株的产酸特性，揭示特效产酸菌株的产酸规律。通过开发零价铁-酸性预处理、亚硝酸盐耦合碱性发酵以及NaOH/Mg(OH)2联合处理等技术，实现了污泥厌氧产酸效能的提高。研究已取得以下成果：（1）筛选得到了四株厌氧产酸菌株，其中NJUST19的代谢转化能力最强，选定作为特效产酸菌株，命名为Clostridium sp. NJUST19，并考察了特效产酸菌的代谢特性。以NJUST19为主体的高温段（TAR）和以污泥原始菌群为主体的中温段（MAR）串联构成新型两相厌氧消化系统，TAR最佳运行条件：pH=9，T=65℃，投配比=12.5%，消化时间=72h；MAR最佳运行条件：pH=10，T=40℃，投配比=50%及消化时间=72h。（2）研究了零价铁-酸性预处理技术对污泥发酵过程的影响，并考察了预处理技术的强化产酸机理。经过零价铁-酸性预处理后关键性水解酶的活性均得到增强。模式底物发酵实验证实零价铁-酸性预处理能促进大分子有机物的溶解以及水解产酸的降解酸化。（3）采用亚硝酸盐预处理结合碱性发酵技术强化污泥水解产酸过程。亚硝酸盐预处理能促进有机质的溶出和产酸量的提高，改变了胞外聚合物（EPS）分布情况，破坏污泥颗粒有机物。最佳工艺条件为亚硝酸盐投加量0.1 g N/L，pH 10.0以及发酵时间7d。（4）利用Mg(OH)2和NaOH混合液控制剩余污泥的pH值，探究其对剩余污泥水解产酸以及脱水性能的影响。在NaOH/Mg(OH)2联合作用下，污泥发酵产酸效率得到提高，污泥脱水性能以及发酵液氮磷去除效率也显著改善。机理分析表明Mg(OH)2能改变EPS组成，在发酵前期促进水解，发酵后期Mg2+在污泥絮体间起架桥作用，改善脱水性能。同时，发酵相关种属在NaOH/Mg(OH)2联合作用下得到明显富集，其他特定功能化的细菌生长受到了抑制。