聚丙烯酰胺降解细菌的筛选及其在脱水污泥生物干化中的应用研究

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脱水污泥含水率高是我国污泥处置目前普遍存在的问题,直接影响脱水污泥的后续处理。造成这一问题的原因有多种,其中之一是由目前在污水与污泥处理中大量使用的,以聚丙烯酰胺(PAM)为代表的高分子有机絮凝剂引起的。在污泥脱水过程中,被PAM吸附絮凝的污泥颗粒聚集后会形成胶状物聚合体,造成脱水后的污泥不易分散,内部水分蒸发困难,使得自然条件下污泥干化需要更长时间。本研究为解决这一问题,筛选可降解PAM的菌株,研究其降解特性,并以固体菌剂的形式对脱水污泥干化过程进行生物强化,降解脱水污泥中的PAM,加快污泥干化速度。主要有以下结论:从四个来源的脱水污泥中分离出11株可在PAM培养基上生长的菌株,经过重金属耐受性和耐盐性实验,筛选出一株菌株H13以PAM为唯一营养源生长,7 d内PAM降解率可达35.9%。结合形态学特征、全自动微生物分析系统仪鉴定及16S rRNA基因序列分析,确定为恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida)。对菌株的生长和PAM降解的影响因素进行了研究。凝胶过滤色谱(GPC)分析显示微生物降解后PAM的分子量下降,培养21 d后,聚合物重均分子量从6.44×106 Da减小到1.85×104 Da。PAM中的高分子量组分经过生物降解变为中低分子量组分,进一步作为菌株生长所需的碳源被转化利用。红外光谱(FT-IR)分析显示,微生物生长过程中,PAM侧链酰胺基转化为羧基,水解的氨基作为生长所需的氮源被微生物吸收利用。液质联用分析(LC-MS)分析显示,PAM降解前和降解后的产物中,含CH3-C=C-CHO基团及其衍生基团的化合物较多。经SDS-PAGE分析,通过硫酸铵沉淀、DEAE-Sepharose FF离子交换层析和SephadexG-200分子筛层析纯化得到了PAM诱导产生的胞外酰胺酶。酶的最适温度为44℃C,最适pH为7.8,低浓度的Mg2+、Ca2+、Mn2+对酶活性有激活作用,Fe2+、Zn2+、Cu2+、Ni2+等金属离子会抑制酶活性,碘乙酸可使酶彻底失活。该酶对短链的脂肪族酰胺类化合物也具有水解能力,对腈类化合物则没有水解能力。通过CODEHOP方法针对该酶氨基序列保守区域设计简并引物,克隆并鉴定了酰胺酶的基因片段,确定分离酶为脂肪族酰胺水解酶。通过单因素实验及正交分析,确定了菌株的固体菌剂发酵最适营养源及条件。污泥生物干化的实验室实验及小试实验显示,菌剂可有效降低污泥中PAM浓度,促进污泥含水率下降,缩短了干化所需时间。在污水厂实地进行了脱水污泥的生物干化及好氧发酵中试实验,结合好氧发酵设备,可在15d内将污泥转化为符合国家标准的有机肥料产品,所需时间远少于传统污泥堆肥,是一套具有参考意义的污泥稳定化、资源化示范工艺。
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