金属卟啉仿生酶对污泥中有机质的催化氧化行为及机制研究

Sludge biological treatment is usually restricted to the rigid structure of the cell walls and the slow hydrolysis process of macromolecular organic matter in solid particles. If the microbial oxidation metabolic process could be mimicked in the sludge hydrolysis stage process, the refractory organic matter difficultly degraded by conventional enzyme could be decomposed easily to degradable organic matter, so as to improve the solubility property of sludge, which is an ideal way to improve the sludge biological treatment. With the similarity catalytic site of cytochrome P450 single oxygenase on structure and function, metal porphyrin has the function of the catalytic oxidation of organic compounds. In this research, the dewatering performance and physical characteristics of sludge treated by metal porphyrin biomimetic enzymes were employed. The processing condition of metal porphyrin biomimetic enzyme was optimized and the best metal porphyrin type and oxygen donor were screened. Based on the above results, the reaction mechanism of metal porphyrin biomimetic enzyme catalytic oxidation was studied. The aerobic and anaerobic digestion system was evaluated by using the metal porphyrin biomimetic enzyme treating sludge, which could explore a set of efficient and mild sludge pretreatment method. The research will opened up a new research idea in the field of sludge treatment, which provides a new approach and theoretical foundation for promoting the renewable energy and material recycling in the field of sludge treatment and disposal.

污泥的生物处理通常受限于固体颗粒中较难破解的细胞壁刚性结构及缓慢的大分子有机物水解过程。若能在污泥生物预处理阶段加入一个模拟微生物氧化代谢的过程，将常规生物酶难于降解的有机物氧化分解为易降解的有机小分子，从而改善污泥的溶解性能，是提高污泥生物处理的一个理想途径。由于与细胞色素P450单加氧酶的催化基团在结构和功能上的相似性，金属卟啉具有了催化氧化有机化合物的功能。本项目将研究金属卟啉仿生酶对污泥溶解、脱水性能及物理特征的影响，优化金属卟啉仿生酶的处理条件，筛选最佳金属卟啉类型及氧供体，由此探寻金属卟啉仿生酶催化氧化污泥中有机质的反应机制，并通过评估金属卟啉仿生酶在污泥好氧及厌氧消化体系的应用效果，在污泥的生物处理领域探寻一种高效、环保的预处理途径。此项工作一方面在污泥处理领域开辟了全新的研究思路，另一方面为提升污泥的能源再生及物质回收水平提供切实可行的解决方案及理论依据。

污泥厌氧消化过程中微生物细胞壁的刚性结构阻碍了污泥水解进程，是厌氧消化过程的限速阶段，成为备受关注的问题。细胞色素P-450是一种单加氧酶，它可以实现在温和的条件下对氧分子的活化。因此，与其活性片段核心分子结构相似的金属卟啉常被用于模拟该单加氧酶体系。本研究旨在污泥厌氧生物预处理阶段加入一个模拟微生物氧化代谢的过程，将常规生物酶难于降解的有机物氧化分解为易水解/溶解的有机小分子，改善污泥的溶解性能，提高污泥厌氧消化效率。①研究了金属卟啉仿生酶作用下的污泥特性变化，优化了金属卟啉仿生酶催化氧化污泥过程的工艺参数（温度、时间、投加量），确定了最佳金属卟啉类型及处理条件，考察了金属卟啉仿生酶催化氧化过程中污泥的溶解性能、污泥物理特性等特征的变化规律。结果发现水溶性铁卟啉的最佳处理条件为：反应温度40℃，反应时间7 h，投加量为1%，固体溶解率（SCOD/TCOD）和VSS去除率分别可达到约66.9%和38.2%，投加量为1.5%时可达到污泥的最佳沉降性能及脱水效果。②研究了不同氧供体策略下的金属卟啉仿生酶催化氧化有机质的行为。结果发现空气、纯氧气和双氧水在水溶性铁卟啉对污泥中有机物的催化氧化效果差别不明显。③探讨了水溶性铁卟啉仿生酶催化氧化污泥中有机质的作用机制。推导了EPS的结构被铁卟啉破坏，胞外聚合物(TB-EPS)的溶解过程。铁卟啉吸附在微生物细胞膜表面会改变细胞膜的通透性，部分微生物因代谢障碍而死亡、破碎，DOM浓度进一步增加。④搭建了金属卟啉仿生酶在污泥厌氧消化体系的应用评估平台，初步结果发现多糖类物质在厌氧消化体系中受脂溶性铁卟啉的影响显著，更多有意义的结果将会在今后的研究中得到。本项目研究将为污泥的生物处理领域提供科学的理论依据和应用基础，具有重要的理论意义和实际应用前景。