基于草本植物调控的剩余污泥发酵产沼气效能与厌氧共代谢途径的机理研究

It is one of the research hotspots of traditional sludge resources to improve the bio-production of methane from waste activated sludge under anaerobic digestion. It has been reported that various pretreatment methods has been used to improve the sludge dissolution and hydrolysis rate in the literatures, which can not really increase the yield of short-chain fatty acids, so its methane yield is limited. Compared with various pretreatment methods of current extensive research, we need to find a new method which is more green, environmental protection and low energy consumption to improve the methane production from city sludge under anaerobic digestion. The sludge of sewage treatment plant and herbaceous plant are chosen as the research objects in this project, through studying on the bio-production of methane from waste activated sludge under anaerobic digestion, which can provide theoretical and technical support for the large-scale production of biogas and energy security in China and has important practical significance. The study on the co-metabolic degradation mechanism of organic matter, total metabolic pathways, molecular biology and dynamics under anaerobic fermentation from waste activated sludge by herbaceous plant addition, can support anaerobic co-metabolic scientific theory and promote the digestion of refractory organics from waste activated sludge, which has important scientific significance.

提高城市污泥厌氧消化产沼气是污泥资源化的传统研究热点之一，国内外文献报道的各种预处理方法只是通过促进污泥的溶解和水解速率以提高甲烷产量，这些预处理方法并没有以同时提高污泥溶解、水解和短链脂肪酸产量为目标，因此其甲烷产量的提高也是有限的。相较于当前广泛研究的各种预处理手段，我们需要找到一种更绿色、环保、低能耗的提高城市污泥厌氧消化产沼气效能的新方法。本项目将以污水处理厂产生的剩余污泥与草本植物为研究对象，通过基于草本植物调控的剩余污泥发酵产沼气效能的研究，为规模化生产沼气以及我国能源安全提供理论和工程技术支持，具有重要的现实意义。同时，通过基于草本植物调控的剩余污泥厌氧发酵过程中有机物共代谢降解机理、共代谢途径、相关分子生物学和动力学特征的研究，将丰富以草本植物促进污泥中难降解有机物厌氧消化共代谢的科学理论，具有重要的科学意义。

污水厂剩余污泥或其他有机固体废物可通过厌氧消化生成短链脂肪酸（厌氧消化产甲烷的重要底物），而由于剩余污泥中含蛋白质较高、含碳水化合物较低，这通常会导致剩余污泥不能充分地转化为短链脂肪酸或甲烷。本研究表明，通过剩余污泥与草本植物（以黑麦草为例）联合厌氧消化，特别是当C/N比为20/1时其有机物降解率与短链脂肪酸产量均可得到显著提高。为了进一步提高短链脂肪酸与甲烷产量，本文研究了不同热处理方法对剩余污泥与草本植物联合厌氧消化的影响。研究表明，污泥与草本植物联合厌氧消化经过100℃热预处理后，其短链脂肪酸产量达到585.2 g COD / kg TS，分别是未经过热预处理的以污泥为底物的10.9倍和以草本植物为底物的5.1倍。本文对热预处理提高污泥与草本植物联合厌氧消化提高短链脂肪酸产量的机理进行了研究，发现污泥与草本植物经过100℃预处理后，水解效率与产酸效率均得到了提高，且相关关键酶活性（与纤维素、半纤维素、木质素、产酸相关的酶）也得到了提高。通过16SrRNA实验，发现以100℃热预处理后污泥与黑麦草为底物培养出的厚壁菌门（Firmicutes）、拟杆菌纲（Bacteroidia）、β-变形菌纲（β-Proteobacteria）、α-变形菌纲（α-Proteobacteria）微生物数量比以未预处理污泥为底物培养出的微生物数量更多。为了提高污水厂剩余污泥的甲烷产量，大多数研究都只是促进了污泥厌氧消化的水解阶段。本研究通过向剩余污泥添加草本植物以提高其碳氮比来改善污泥厌氧消化过程的水解效率与产酸效率，最终提高甲烷产量。本文详细研究了污泥与草本植物联合厌氧消化过程不同碳氮比（7/1 – 26/1）对短链脂肪酸与甲烷产量的影响，发现当污泥与草本植物联合厌氧消化碳氮比为20/1时，其短链脂肪酸产量最大为363.3 mg COD / g TS （厌氧发酵12天），其甲烷产量大为334.7 ml / g TS （厌氧发酵30天），最大甲烷产量分别为以污泥为底物和以草本植物为底物的6倍和2倍。本文还对不同碳氮比影响污泥与草本植物联合厌氧消化产甲烷的机理进行了探讨，发现污泥与草本植物联合厌氧消化过程，适宜的碳氮比可以导致较优的水解效率、产酸效率、产酸组份以及较好的相关关键酶活性。