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2011年,我国剩余污泥的总产量达到了3000万吨,随着城市化的加剧和人口数量的增加,污泥产量也持续增加,预计到2020年,将达到6000万吨(污泥含水率以80%计)。剩余污泥的主要成分为有机物(蛋白质、糖类、脂类等),具有资源化的潜力。目前,厌氧消化技术可以实现剩余污泥能源回收与生态良性循环的目的,被广泛用于剩余污泥的处理处置。然而由于大量的有机物储存于胞内或胞外聚合物中,导致厌氧消化速率普遍较低,资源化率不高。因此,快速提升水解速率是解决剩余污泥厌氧消化效率低下,提高污泥资源化率的关键因素之一。由于60℃条件下中温菌和嗜冷菌死亡或丧失酶的活性,而嗜热菌具有稳定的胞外酶活性。所以,本研究采用高温条件驯化剩余污泥,筛选具有热稳定酶的嗜热菌,对其污泥水解性能进行了研究,建立了不同预处理方法联合嗜热菌强化污泥水解及后续制备短链脂肪酸的方法,为剩余污泥的资源化奠定了理论基础和技术支持。首先,在60℃条件下从剩余污泥中分离出了3株具有蛋白酶活性的嗜热菌,其中G1和G2属于Geobacillus属,G3属于Aneurinibacillus属,分别命名为Geobacillus sp.G1(注册号:JX522538)、Geobacillus sp.G2(注册号:KJ190160)和Aneurinibacillus sp.G3(注册号:KJ190161)。以3株嗜热菌中对E.coli溶解率较高的嗜热菌Geobacillus sp.G1为模式菌,采用均匀设计-响应曲面法获得了最优Geobacillus sp.G1的胞外酶活性,发现胞外酶对E.coli的水解率在4 h时达到了50.1%,比优化前提高了16.2%,与此同时,在35%:65%(VG1:VWAS),嗜热菌Geobacillus sp.G1胞外酶对剩余污泥的水解效能最好,溶解性蛋白质的含量达到695 mg COD/L,为对照组的5.0倍。通过对嗜热菌强化剩余污泥的水解效能进行研究,得出嗜热菌Geobacillus sp.G1的最佳投加比例为10%(V/V),胞外水解酶活性达到了403±4μg FDA/(m L?h),为对照组的1.5倍。SCOD、溶解性蛋白质以及溶解性碳水化合物的的浓度分别为4130±170 mg COD/L、1063±15 mg COD/L,和213±6 mg COD/L,分别为是对照组的1.5、1.7和1.1倍,短链脂肪酸的积累量为2560±100 mg COD/L,是对照组的2.0倍。微生物群落结构演替过程表明,嗜热菌Geobacillus sp.G1处理组中,水解阶段起主要作用的为Clostridia纲的Caloramator;发酵阶段,虽然Clostridia纲的微生物由水解阶段的9%~25%增加到了66%~74%,但是属的组成由原来的嗜热水解菌转变为中温水解菌和酸化菌,并且蛋白酶基因的含量相对下降。为了考察嗜热菌Geobacillus sp.G1联合现有预处理技术对剩余污泥的水解是否具有促进效能,本文选取了三种典型的预处理技术(碱,超声和冻融)对嗜热菌Geobacillus sp.G1水解剩余污泥进行强化,结果表明,联合预处理(碱联合嗜热菌Geobacillus sp.G1(AG)、超声联合嗜热菌Geobacillus sp.G1(UG)、冻融联合嗜热菌Geobacillus sp.G1(FG)对剩余污泥的水解作用均高于单一预处理。水解阶段,剩余污泥中溶解性蛋白质的释放效能,AG、UG和FG组分别是对照组的2.0、1.7和1.4倍;酸化阶段,短链脂肪酸的积累效能,AG、UG和FG组分别是对照组的2.7、2.5和2.0倍。微生物群落结构演替过程表明,预处理技术对剩余污泥后续发酵阶段的微生物群落结构产生显著影响,但是在发酵体系中功能微生物种类相同。Bacteroidia纲和Clostridia纲的微生物主要参与剩余污泥中固体成分的分解和有机酸的积累;γ-Proteobacteria纲和Actinobacteria纲的微生物作为固体废物厌氧分解过程中微生物群落的重要组成部分,参与剩余污泥的水解过程。本研究开发的嗜热菌强化剩余污泥水解预处理技术及联合预处理技术,为实现剩余污泥的快速水解开辟了新途径,为以制备碳源为目的的剩余污泥资源化过程提供了理论支持。