嗜热酶水解(S-TE)污泥发酵产氢体系中高效菌群构建与分子生态学解析

Waste activated sludge from a wastewater treatment plant is rich in organic matters, and thus represents a potential substrate for producing hydrogen. It is shown from the current researches at domestic and abroad that choosing an optimum pretreatment is a key factor for improving anaerobic hydrogen production from waste sludge. However, there are secondary pollution,complicated equipment and high energy consumption in the existing pretreatments. Aim at the mentioned problems, solubilization by thermophilic enzyme (S-TE) technology will be used for hydrolyzing the waste sludge to strengthen the recessive grow of sludge microorganism with the theory of lysis enzyme secreted by thermopile bacteria in this project; the effect of waste sludge disruption, heavy metals releasing and hydrogen bacteria screening will be estimated basing on the hydrolysis conditions optimizing; the operating parameters of complete stirred tank reactor (CSTR) and hydrogen ecological factors will be optimized in the hydrogen fermentation system with organic matters released from sludge flocs; the efficient hydrogen bacteria community will be constructed through controlling the S-TE hydrolysis and S-TE sludge hydrogen fermentation strategy; various molecular biology technologies will be used to analyze microbial community diversity to reveal the main hydrogen bacteria community structure and function. This project will provide basic information and theoretic proofs for enhancing the stability and efficiency of hydrogen production from S-TE pretreated sludge.

污水厂剩余污泥含有丰富的有机质，是一种潜在的发酵产氢基质。从国内外研究现状可知，选择合适的预处理方法是影响污泥产氢效果的重要因素。但是，现有的预处理方法存在着二次污染，设备复杂和高耗能等问题。针对上述问题，本课题采用嗜热酶水解（S-TE）技术对污泥进行预处理，利用接种嗜热菌分泌的胞外酶强化污泥微生物的隐性生长；在优化水解条件的基础上，评价污泥破解效果，重金属释放和产氢菌群的筛选；以完全混合厌氧反应器（CSTR）作为发酵产氢系统，以胞溶污泥中微生物释放出的丰富的有机质为基质，优化CSTR运行参数和产氢生态因子；通过调控污泥的S-TE水解和S-TE污泥发酵产氢策略，构建高效产氢菌群；采用多种分子生物学技术，研究S-TE污泥发酵产氢过程中的微生物群落演替，揭示主要产氢菌群的结构和功能。通过本课题的研究，可以为提高S-TE污泥发酵产氢稳定性和产氢效率提供基础数据和理论依据。

污水厂剩余污泥含有丰富的有机质，是一种潜在的发酵产氢基质。但污泥中的多数有机质存在于微生物细胞内，限制了污泥中有机物的溢出。嗜热酶水解(S-TE)技术为通过溶胞强化污泥微生物隐性生长的生物法污泥预处理技术，可实现污泥溶解和减量，杀灭致病菌，还可筛选产氢菌群，提高污泥产氢量，因此，S-TE技术与污泥厌氧发酵产氢相结合逐渐成为近期研究的热点。本课题分离出一株高效嗜热菌Bacillus sp. AT07-1 (注册号：FJ231108)，证明了直接使用S-TE污泥发酵产氢优于同温度下热处理和加入产氢菌。通过调控S-TE水解条件，评价污泥破解效果和发酵产氢效果，并与热、微波和复合酶等预处理方法进行比较，采用三维荧光光谱技术研究污泥EPS和DOM中可生物降解性物质和难生物降解性物质在水解及发酵产氢过程中的变化，解析不同预处理污泥发酵产氢过程中微生物群落结构和功能。 .结果表明，最佳S-TE水解条件并非最佳产氢条件；采用均匀实验设计法，通过较少的实验次数，对pH、C/N、C/P、Fe2+四个因素进行了优化，探求污泥发酵产氢影响因子的交互作用，当pH取6.4 , C/N取38, C/P取265, Fe2+取85时，产氢效果最好，达到68.4 mL/g VSS。采用EEM技术结合FRI分析，解析S-TE污泥在水解和产氢过程中EPS和DOM的转化，发现溶解性细胞物质的释放和利用最为明显，难降解性物质腐殖酸和色氨酸的累积对S-TE污泥的资源化利用有不利影响；解析了S-TE污泥和其他预处理污泥在水解和发酵过程中微生物群落结构的差异，揭示了不同预处理方法对产氢菌群结构和功能的影响，并因此造成的底物利用及产氢效果的差异。其中污泥经热处理和微波处理后，主要产氢菌群C. bifermentans 和 E. coli sp.活性得到加强，从而更有利于发酵产氢。而嗜热酶水解污泥在发酵产氢的初期主要产氢菌活性不显著，在后期产氢菌活性逐渐恢复。