剩余污泥中纤维素半纤维素微生物降解技术

北极星环保网讯: 1 引言：剩余污泥中存在着相当数量难以生物降解的木质纤维素.一方面，这些木质纤维素难以在厌氧消化过程中被降解、转化，使得能源(甲烷)产率过低.另一方面，残留在消化污泥中的木质纤维素也阻碍污泥减量，为污泥填埋处置形成潜在隐患.

研究表明，木质纤维素是一种由纤维素、半纤维素和木质素组成的聚合物.其中，木质素最难降解，且在厌氧条件下无法实现有效降解;而纤维素和半纤维素相对容易降解并转化.如果能实现木质纤维素其中2组分(纤维素、半纤维素)完全降解，不仅污泥能源转化率将会提高，而且也会对污泥减量起到一定的促进作用.污泥厌氧消化实践表明，传统厌氧消化几乎对木质纤维素没有降解.这表明，传统厌氧消化系统中很少或几乎不存在降解复杂化学结构木质纤维素的微生物.

面对上述实际情况，本研究旨在通过微生物富集培养方法去探知消化污泥中是否存在可降解纤维素/半纤维素的厌氧微生物，为后续研究污泥中木质纤维素厌氧生物降解奠定实验基础.如上述，纤维素和半纤维素生物降解相对容易，这是因为这2种组分在结构上具有一定的相似性，如木聚糖(半纤维素主要成分)和纤维素都是由单糖经β-1，4糖苷键链接而成，它们的降解均是依靠胞外酶打破β-1，4糖苷键而实现.可见，可以通过富集培养降解一种物质的微生物便可实现对木质纤维素2种组分的同步降解.本研究中微生物富集培养实验也就由此开始.

2 实验材料与方法

2.1 种泥与基质

富集培养木质纤维素厌氧生物种泥分别取自北京市某大型市政污水处理厂剩余污泥(实际污泥)与实验室发酵罐中厌氧培养污泥(消化污泥).实际污泥为污水处理厂脱水后污泥(含水率：80%)，实验时按需要浓度进行兑水稀释.消化污泥原污泥来源于实验室一合成配水的SBR脱氮除磷中试装置剩余污泥;用于消化污泥培养的发酵罐工作体积为4  L，在T=35 ℃、SRT=20 d、pH=7.0工况下运行.

选择木聚糖作为木质纤维素降解微生物富集培养的唯一基质，因为它相对于纤维素来说，结构疏松，无晶体结构，聚合度低，较容易被降解.

2.2 富集培养系统

富集培养采用系列平行摇瓶实验，配备有密封橡胶塞的250 mL血清瓶作为富集培养系统.血清瓶置于空气浴恒温摇床(T=35 ℃;摇动速度100 r ˙  min-1)内进行实验.

两种不同来源的种泥在血清瓶中的污泥浓度分别为：①实际污泥：MLSS≈22.28 g ˙ L-1，MLVSS≈14.56 g ˙  L-1;②消化污泥：MLSS≈22.37 g ˙ L-1，MLVSS≈17.69 g ˙  L-1.两种污泥分别设置3个平行样(编号：1、2、3)，并各设置1个不加基质的空白样瓶.实验中，以6  d作为1个周期进行底物置换，并进行相应指标检测，具体实验方案列于表 1.细菌培养所需微量元素通过向血清瓶分别添加DIN EN ISO 11734  L47(简称L47)和DIN EN ISO 11734(简称M)培养液来补充，其成分见表 2.

表1 微生物富集培养实验方案

表2 培养液组成

在富集实验伊始，即使存在木聚糖降解类微生物，它们也不是优势菌种.所以，木聚糖如能降解，首先会形成单糖，随后会被占优势的产甲烷菌转化为CH4和CO2.因此，可根据血清瓶产气情况来作为木聚糖是否降解之指示.另外，木聚糖降解微生物主要是以分泌胞外酶的形式来水解木聚糖，且胞外酶之活性又与微生物的活性呈正比.故此，系统中的木聚糖酶活性可用作为一种指标，以此判断系统中木聚糖降解微生物的生物活性.

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