强化预处理对猪场废水厌氧发酵过程的影响

摘要

中国是世界上第一养猪大国，养猪业已成为我国农业和农村经济的重要组成部分。上世纪九十年代以来，随着养猪业迅猛发展，我国的养猪业生产方式已从传统的小规模饲养向大型规模化集约化养殖方向转变。但与此同时也带来了因粪污大量集中排放与资源环境之间的突出矛盾。厌氧生物技术是目前我国养猪废水处理的关键技术。现有的畜禽厌氧生物处理技术研究往往仅停留在研究脱氮、除磷、化学需氧量（COD）的去除效率和产气率等的工艺参数方面，而对于好氧酸化处理增强厌氧发酵体系的过程方面研究比较匮乏。本研究运用了现代分子生物学技术对外源微生物进行了系统的鉴定，通过梯度变性凝胶电泳(DGGE)、16SrDNA文库分析等分子生物学技术和细菌筛选、分离鉴定解析了养猪废水厌氧生物处理的酸化预处理对系统启动时的影响。为实现养猪废水厌氧生物高效处理、可控运行提供理论和实践依据。
　　实验采用了意大利ABT公司通过发酵工艺得到了外源菌粉，采用DGGE和16SrDNA的文库构建分析了该菌粉中的主要菌体构成。通过16SrDNA分析得到了223个阳性克隆子，DGGE分析得到10条条带切胶后对其中的DNA进行回收后测序。经过测序分析结果表明，微生物群落组成为不动杆菌（Acinetobacter）、异常海杆菌（Marinobacter）、假单胞菌（Pseudomonadaceae）、芽孢杆菌（Bacillaceae）和纤维弧菌（Cellvibrio）。通过223个克隆子构建的基因文库中不动杆菌（Acinetobacter）占50.2％、异常海杆菌（Marinobacter）占19.73%、假单胞菌（Pseudomonadaceae）占19.73%、芽孢杆菌（Bacillaceae）和纤维弧菌（Cellvibrio）各占9.86%。文库分析和DGGE测序所得结果一致。
　　以现有生产废水及处理污泥为原材料，实验室模拟建立好氧辅助及厌氧反应器，确定了污泥提升好氧酸化效果有助于提高厌氧甲烷产量，为启动主反应器提供参数；以现有生产废水启动运行主反应器系统。通过投加外源菌粉与投加灭活的外源菌粉以及原水在相同条件下进行对比，在好氧条件下投加菌粉后原水的挥发性脂肪酸可以提升到1400mg/L，并将厌氧沼气产量最大值从99.2mL提高了350mL，厌氧启动时间缩短了4天，且最终出水COD在小试反应器9天后满足好氧处理的条件。
　　将菌粉中可培养的降解细菌进行分离与富集。采用了不同的富集培养基，第一次富集得到了不动杆菌和假单胞菌，第二次富集得到芽孢杆菌。将两次富集的细菌以及菌粉还有菌粉转接液，对现有的废水进行酸化。实验发现外源细菌的投加对挥发性脂肪酸的提高作用较明显，且最高可以达到2000mg/L。同时，投加外源细菌后只需4小时即可达到酸化的效果最佳效果，而未加外源细菌的原水挥发性脂肪酸增加不明显。对酸化效果较好的菌群利用16S rDNA进行分子鉴定，结果表明两株菌分别为水解淀粉芽孢杆菌和腊样芽孢杆菌，通过对该两种芽孢杆菌的生理生化特性进行研究，检测到两种菌株可以产生酪蛋白酶和过氧化氢酶等胞外酶。IMViC实验结果表明，两个菌株均不产吲哚但C3菌株可以分解含硫的有机物，在糖发酵试验中不会产生有机酸。应用试验结果表明，该两株芽孢菌株酸化猪场废水的最佳使用条件为温度30℃，pH为6-8，投加量1.5 g·L-1。

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第1章 绪 论

1.1 猪场废水的来源及污染现状

1.2 猪场废水的处理现状

1.3 生物处理的技术方法

1.4 厌氧发酵的基本原理及影响因素

1.5 厌氧消化的微生物学原理

1.6分子生物学技术手段

1.7 本课题来源、目的及意义

第2章 实验研究方法

2.1 废水水质

2.2 实验试剂

2.3 实验仪器及设备

2.4培养基

2.5 实验试剂配制

2.6 分子生物学实验方法

2.7 降解菌的生理生化鉴定

2.8 分析测定方法

第3章 Biomass的PCR-DGGE分析

3.1 16S rDNA V3区扩增

3.2变性剂梯度优化

3.3电泳时间的优化

3.4样品DGGE分析结果

3.5 DGGE优势条带的回收及鉴定

3.6 本章小结

第4章 Biomass细菌总DNA的16S rDNA文库构建

4.1 16S rDNA序列的扩增

4. 2 细菌的16S rDNA克隆文库构建

4. 3Biomass菌群16S rDNA文库的分析

4.4 本章小结

第5章 模拟好氧辅助条件的厌氧反应优化

5.1辅助好氧生物反应器

5.2好氧强化参数控制

5.3对比试验

5.4 本章小结

第6章 功能细菌的分离以及产酸效果的优化

6.1优势功能菌的筛选与纯化

6.2优势功能菌的产酸效果

6.3 生理生化特征

6.4产酸菌的系统发育分析

6.5产酸菌的最佳应用条件的探索

6.6 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录