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产蛋白酶混合菌系对碱性剩余污泥水解酸化的影响

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第46卷第12期2014年12月哈尔滨工业大学学报JOURNALOFHARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYVol的处理费用约占污水处理厂运行成本的60%[3].因此,采用适当方法对污泥进行处理和处置成为污水处理厂的首要任务[4].目前,剩余污泥的处理及处置方法多种多样,如焚烧、填埋、海洋倾弃等[5-6].然而这些方法均会对环境产生负面影响.生物营养物质(氮和磷)的去除是减轻水体富营养化的一种有效途径.污水中易于生物降解的有机物,如挥发性脂肪酸(volatilefattyacids,VFAs)显著影响着生物营养物的去除效率.然而,污水中VFAs质量浓度往往较低.污水生物处理时如人为添加外碳源,会在一定程度上增加运营成本.近年的研究表明,污泥发酵产生的VFAs既可作为生物营养物去除的内碳源,又可起到污泥减量的作用,从而降低运营成本[7-8].污泥厌氧消化包括水解、酸化和产甲烷3个阶段.水解反应通常被认为是污泥厌氧消化的限速步骤,该反应产生的VFAs可被产甲烷菌利用[9].为了降低水解阶段的影响,各种预处理方法已应用于加速污泥水解或改善污泥厌氧消化工艺[10-11].蛋白质和碳水化合物是剩余污泥中的主要有机物,在剩余污泥酸化阶段可以被转化为VFAs,且乙酸和丙酸是污水处理厂用于脱氮除磷工艺优选的有机碳源[12-14].近年的研究表明,污泥厌氧发酵过程中pH及污泥中微生物群落结构显著影响VFAs的产量及组分[4,14-15].然而,关于接种微生物对剩余污泥水解酸化过程中VFAs产量影响的研究却鲜有报道.本研究从剩余污泥中分离产蛋白酶活力较高的耐碱细菌,并构建产蛋白酶混合菌系.将该混合菌系接种于碱性(pH10.0)发酵剩余污泥的不同时期,评价其在碱性条件下对溶解性化学需氧量(SCOD)、溶解性蛋白质和碳水化合物、VFAs等的影响,探讨利用剩余污泥生产VFAs的最佳条件.同时有助于了解VFAs积累的机制,有益于剩余污泥的资源化利用.1实验1.1污泥来源实验所用剩余污泥均取自哈尔滨太平污水处理厂二沉池.污泥取回后静置24h,弃上清液,于4℃保存备用.浓缩后的剩余污泥pH为6.82,总固体(TS)质量浓度为13.68g/L,挥发性固体(VS)质量浓度为10.36g/L,SCOD为142.21mg/L,溶解性蛋白质质量浓度为76.32mg/L,溶解性碳水化合物为30.87mg/L.1.2培养基基础培养基:10g脱脂奶粉,3g酵母提取物,0.5g氯化钠,6.7g硫酸铵,0.5g硫酸镁,0.7g磷酸二氢钾,1.2g磷酸氢二钾,1L蒸馏水,pH10.0,121℃灭菌20min.透明圈培养基:10g脱脂奶粉,5g蛋白胨,2.5g酵母提取物,10g可溶性淀粉,0.5g磷酸二氢钾,0.5g硫酸镁,1g氯化钠,20g琼脂,1L蒸馏水,pH10.0,121℃灭菌20min.产酶液体培养基:40g葡萄糖,20g蛋白胨,1.4g磷酸氢二钠,0.6g氯化钙,0.4g硫酸镁,1L蒸馏水,pH7.0~7.2,121℃灭菌20min.LB培养基:10g胰蛋白酶胨,5g酵母提取物,5g氯化钠,1L蒸馏水,pH7.0~7.2,121℃灭菌20min.1.3菌株的分离鉴定及蛋白酶活力的测定将1g剩余污泥接种于250mL基础培养基中,120r/min、30℃厌氧培养48h.将培养液适当稀释后涂布于琼脂基础培养基中,30℃厌氧培养48h.挑选长势良好的单菌落,并重复以上步骤直至获得纯培养.将初筛获得的菌株分别涂布于透明圈培养基中,30℃厌氧培养48h,挑取水解圈直径与菌落直径比值较大的单菌落,并分别接种于不同条件下的产酶液体培养基中,厌氧培养48h后,采用Folin试剂显色法测定其酶活力[16].pH10.0、30℃条件下,以1mL酶液每分钟水解酪蛋白产生1μg酪氨酸所需酶量定义为1个酶活力单位.将分离获得的产蛋白酶活力较高的菌种进行鉴定,具体方法见文献[17].测序得到的16SrDNA序列提交至GenBank数据库,并通过NCBI的BLASTN程序对测序结果进行同源性分析,获得相关种属的序列信息,采用MEGA5.1软件进行系统发育分析.1.4混合菌系的构建将分离到的菌株分别接种于250mLLB培养基中,120r/min、30℃厌氧培养12h后,调节培养基pH至10.0,120r/min、30℃继续厌氧培养36h,使菌株能够在接种污泥后快速适应碱性发酵条件.发酵液分别以6000r/min离心10min,弃上清液,菌体沉淀用无菌水洗涤并离心2次.以无菌水分别将各菌体质量浓度调节至OD600为0.8,并将其1∶1混匀后作为接种物,即混合菌系.1.5序批实验本研究采用序批式发酵,用2mol/L的NaOH溶液将3.5L剩余污泥调节pH至10.0后,平均分配到0~4号反应瓶(

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