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耐酸性酵母菌R30加速污泥生物沥浸进程机理研究

王世梅  
【摘要】: 污泥是污水处理过程中产生的沉淀物,污泥中除含重金属外,还含有丰富的有机质,氮、磷等其他养分,不合理的处置方式,既污染环境,又浪费资源,污泥处理应遵循无害化、资源化的原则。本实验室利用从污泥中分离出的两株硫杆菌——嗜酸性氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillus.ferrooxidans)LX5、嗜酸性氧化硫硫杆菌(Acidithiobacillus thiooxidans)TS6,对污泥进行生物沥浸(Bioleaching)处理,研究内容集中在污泥生物沥浸条件优化方面,但沥浸周期较长,如实施工程化应用,成本较高。污泥生物沥浸周期长的主要原因是在沥浸中起主要作用的自养硫杆菌生长缓慢,尤其污泥中的溶解性有机物(dissolved organic matter,DOM)对硫杆菌有毒害作用。为了消除这一障碍因子,尝试从污泥中分离出以污泥DOM为碳源和能源的耐酸性异养菌,研究其与自养菌复合进行污泥生物沥浸,并对其加速污泥沥浸进程机理进行深入研究。论文主要结果如下: 从制革污泥中分离出一株异养菌R30,经鉴定属于红酵母菌属(Rhodotorula sp.),酵母菌R30在污泥DOM中培养96 h,水溶性有机碳(DOC)从1485mg╱L降至345mg╱L,菌数达4.8×10~7个/mL,结果表明酵母菌R30可消耗污泥中大部分的DOM,减弱DOM对硫杆菌的毒害作用。为验证酵母菌R30对制革污泥沥浸的促进作用,在沥浸的起始阶段添加一定量的酵母菌R30,结果表明添加酵母菌处理和对照相比,污泥沥浸时间减少了4d,沥浸周期显著缩短,在7d的沥浸时间内,重金属Cr的溶出率提高39%。 研究在沥浸中起主要作用的菌株A.ferrooxidans LX5、A.thiooxidans TS6和Rhodotorula sp.R30对重金属铬(Cr~(3+))的耐受性。结果表明700mg╱L的Cr~(3+)对A.fLX5、A.tTS6的生长和氧化活性影响不大,但Cr~(3+)浓度大于500mg╱L时明显抑制酵母菌R30的生长。 研究纯种A.fLX5和A.tTS6与酵母菌R30复合能明显加速污泥沥浸的进程,最佳的复合比例为硫杆菌LX5和TS6接种量10%,酵母菌R30接种量2.0%。研究含酵母菌R30的酸化污泥作接种物的可行性,结果发现生物沥浸过程中pH值下降的速度与对照比没有明显差异,而在沥浸起始时添加2.0%的酵母菌R30,则沥浸反应提前36 h结束。因此在其它条件相同的污泥沥浸中,污泥中所含耐酸性酵母菌的数量很重要,在沥浸起始时添加酵母菌R30,使污泥中酵母菌的数量达到10~6个/mL是加快沥浸速度的关键。 A.fLX5和A.tTS6是严格化能自养菌,生长缓慢,在固体平板上,形成菌落需要2~3周时间,且平板的检出率较低,为此,作者发明了双层平板法(指用2%的水琼脂作底层平板,上面涂布(酵母菌R30)菌液,再倒入分离硫杆菌的固体培养基作上层平板,涂布一定稀释度的含硫杆菌的菌悬液)来提高硫杆菌分离效率。结果显示,A.tTS6菌落在双层平板上检出的时间比单层平板法(指仅在硫杆菌的固体培养基上涂布硫杆菌的菌悬液)提早5d,检出率提高3.6倍,A.fLX5菌落在双层平板上检出率提高2.1倍。进一步说明双层平板中间的异养菌因能消耗上层的水溶性有机物,从而可大幅度提高硫杆菌的检出效率。同时也证明了介质中水溶性有机物对硫杆菌的毒性及异养菌R30的解毒机理之一便是消耗水溶性有机物为其碳源和能源,从而促进了硫杆菌的生长。 为进一步阐明酵母菌与自养硫杆菌复合进行污泥生物沥浸可明显加速污泥重金属沥浸进程的其他可能机理,本研究在全自动生物反应器中进行污泥生物沥浸,利用生物反应器上的可检测悬液中CO_2的电极、pH电极、溶氧(DO)电极等探头在线检测污泥中CO_2,pH,DO的变化。结果发现,添加酵母菌R30的处理,污泥沥浸周期比对照缩短36hr,污泥中CO_2含量的比对照提高3倍,DO变化两者差别不大。为验证反应体系中CO_2含量变化对污泥沥浸过程中主要微生物A.tTS6生长和活性的影响,在自动发酵罐中培养A.tTS6,通入CO_2气体,结果证实,A.tTS6的生长明显加快,发酵周期缩短34hr,A.tTS6菌体数量增加一倍。这揭示了酵母菌R30促进污泥沥浸进程的另一机制即是酵母菌R30生长在消耗污泥中的DOM的同时代谢产生了较多CO_2,从而促进了以CO_2为唯一碳源的自养硫杆菌的生长,从而加速了污泥沥浸进程。 酵母菌R30分泌丰富的胞外多聚物(Extracellular Polymeric Substances EPS),络合试验及Fe~(3+)和EPS—Fe~(3+)氧化能力评价试验证明,EPS能络合介质中由A.fLX5氧化Fe~(2+)而生成的Fe~(3+),形成EPS—Fe~(3+)络合物(7.2mg Fe~(3+)/mgTOC),从而维持Fe~(3+)在介质中一定浓度而不致于因在酸性条件和硫酸盐丰富的环境中游离的Fe~(3+)大量形成羟基硫酸高铁矿物而沉淀掉。研究发现,即使Fe~(3+)与EPS形成EPS—Fe~(3+)络合物,该物质仍具有一定氧化活性,尽管其氧化能力比等量的游离Fe~(3+)氧化活性低。一般地,介质中具有化学氧化性的Fe~(3+)越多,生物沥浸效果越好。这也说明,在添加酵母菌R30的污泥生物沥浸处理中,其分泌的EPS对促进生物沥浸进程的影响有一定的促进作用。 通过本项目研究,得到如下鲜明的结论,在污泥生物沥浸过程中,添加耐酸性的异养型酵母菌R30能大大促进污泥生物沥浸进程,其主要原因在于酵母菌R30能消耗对硫杆菌生长有毒的DOM,同时由于产生较多的CO_2,又促进了以CO_2为唯一碳源的硫杆菌的生长所致。此外,酵母菌R30分泌EPS,使介质中Fe~(3+)不易沉淀,从而维持了介质的较高氧化力,也是一个原因。


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1 王世梅;耐酸性酵母菌R30加速污泥生物沥浸进程机理研究[D];南京农业大学;2007年
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