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《哈尔滨工业大学》 2016年
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青霉素菌渣混合市政污泥好氧堆肥工艺效能研究

张诗华  
【摘要】:微生物制药菌渣处置是当前制约我国发酵类抗生素生产企业发展的瓶颈问题。尽管此类抗生素菌渣中含有一定量的药物残留,但其含水率与有机物含量较高,焚烧处理则面临着成本高与资源浪费的困境。采用好氧堆肥处理是当前处理此类菌渣经济可行的方法之一,且堆肥工艺具有的高温阶段可强化抗生素菌渣药物残留的降解。本文以青霉素菌渣为对象,采用好氧堆肥工艺技术手段,分别研究了青霉素菌渣混合市政污泥好氧堆肥的可行性、不同曝气量与调理剂类型对堆肥工艺性能的影响、水溶性有机物(DOM)及其荧光组分的变化特征。此外,利用平板培养技术与分子生物学技术,考察了堆肥过程中微生物数量与酶活性的变化特征以及微生物群落结构的多样性。采用批次降解试验,考察了青霉素G在不同温度下的降解效率,结果显示,温度对青霉素G的水解速率有较大的影响,高温促进了青霉素降解。为了确认青霉素菌渣的药物残留能在堆肥期间内完全降解,首先以污泥作为堆肥底物,采用投加不同含量的青霉素G小试堆肥,考察青霉素G的不同起始含量对堆肥过程的影响以及青霉素G的降解,为后续大批量堆肥青霉素菌渣提供技术支持。试验结果表明,在青霉素G投加量为30~150 mg g~(-1)污泥时,其堆肥过程不受影响,且在堆肥起始的7 d内青霉素G被降解。曝气量以及调理剂对青霉素菌渣好氧堆肥工艺条件的控制和性能优化具有重要意义。试验采用了三种曝气量(0.15、0.50和0.90 L(min·kg OM)~(-1))考察了其对青霉素菌渣混合市政污泥好氧堆肥过程的影响。结果表明,曝气量直接影响好氧堆肥基质的降解和堆体温度。在综合考虑相关指标时,采用曝气量0.50 L(min·kg OM)~(-1)是合理的选择。此外,考察了7种调理剂的搭配方式对青霉素菌渣混合市政污泥好氧堆肥效果的影响。结果显示,添加锯末促进堆肥效果,综合考虑温度、氮素损失等因素,采用秸秆与锯末搭配是较为合适的方案。堆肥过程中DOM组成与结构的变化较之固相组分更能灵敏反映堆肥腐熟状况,研究DOM的组成结构变化特征对表征堆肥腐熟化程度有重要意义。试验结果表明,堆肥提高了DOM的芳构化程度以及大分子组分的比例。利用三维荧光区域积分法(FRI)评价堆肥腐熟度,结果显示,PI,n、PII,n和PIV,n值下降而PV,n值显著增加,表明芳香类蛋白、微生物代谢产物逐步降解,同时,大分子类腐殖质含量上升。利用三维荧光光谱-平行因子法(EEM-PARAFAC)对堆肥过程DOM的荧光组分进行识别并解析其与理化指标的关系。结果表明,DOM包含了5个荧光组分,组分C1、C2和C3与类蛋白物质相关,C4和C5代表微生物源腐殖质类有机物和陆源腐殖质类有机物;4个组分(C1、C3、C4和C5)的最大荧光强度F_(max)与DOC、DON、比耗氧速率(SOUR)和SUVA254的线性拟合关系显示,C4的F_(max)既与SOUR成负相关又与SUVA254成正相关,表明C4对青霉素菌渣混合市政污泥好氧堆肥的稳定性有着重要的影响。此外,溶解性有机碳(DOC)与C3的F_(max)高度正相关,而与C5的F_(max)高度负相关,表明类蛋白成分在堆肥的起始堆料中占有很高的比例。由微生物数量和种群结构多样性的变化可知,青霉素菌渣混合市政污泥好氧堆肥过程中细菌和放线菌数量呈现先升高后降低的趋势,真菌数量变化则是先下降后升高;细菌在数量上占主导地位,其次是放线菌和真菌。微生物多样性Shannon指数揭示,青霉素菌渣堆体中微生物的多样性更丰富。此外,酶活性分析表明,过氧化氢酶、磷酸酶、纤维素酶活性均相对较高,而蔗糖酶活性较低;脲酶活性逐步提高并趋于稳定,而其在对照中的活性相对稳定;蛋白酶的活性变化在两个堆体中呈现不同趋势。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:X703;X787

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