餐厨垃圾厌氧体系酸化失稳监测指标的比较和香豆素荧光探针方法研究

摘要

厌氧消化系统在低负荷下运行会造成资源浪费，高负荷下运行容易发生酸化，因此系统运行指标监测就显得尤为重要。目前常用指标对系统的酸化失稳的预警具有滞后性，所以寻找更为提前的监测指标具有重要意义。胞外聚合物(EPS)与微生物有着紧密联系，可以在一定程度上及时准确的反映系统状态。本课题基于上述问题，研究厌氧消化酸化过程中EPS含量的变化，探究其作为厌氧系统的酸化失稳预警指标的可行性与提前性;将某种荧光物质与EPS中的成分结合，在一定反应条件下通过荧光变化反映胞外聚合物相关物质浓度，从而及时调控系统，避免其酸化失稳。主要研究内容如下:
　　首先，对阳离子交换树脂提取EPS的条件进行优化。以EPS中的多糖(PS)和蛋白质(PN)浓度总和作为评价指标，通过单因素实验确定因素水平范围，选取10、20、30g（以15g（挥发性固体含量）VS计算添加）为树脂添加量水平;选取100、150、200r/min为搅拌速率水平;选取1、2、3h为搅拌时间水平。采用全因素分析法得到三个因素均有显著性影响，且三个因素两两之间有交互作用且影响显著。采用响应面分析法优化得到最佳提取条件:树脂添加量20g（以15gVS计），搅拌速率150r/min，搅拌时间2h，PN+PS总含量预测值为8.95mg/gVS，与实际实验结果接近。
　　接着进行餐厨垃圾与厌氧污泥联合厌氧批式实验，设置不同的基质微生物比(F/M)，间隔一定时间进行监测。当系统F/M为0.5时，其各项监测指标均稳定波动，说明低F/M该系统稳定运行，没有发生酸化失稳现象。当系统F/M为2.0、3.0、4.0时，其各项监测指标的变化规律均说明负荷过高的系统在反应进行到一定时间时会发生酸化现象。实验结果表明PN/PS数值能在一定程度上预警酸化，其作为酸化失稳指标所得到的酸化失稳时间均比其他监测指标提前，最快可提前4个小时，验证了其作为餐厨垃圾厌氧消化系统稳定性监测指标的可行性和提前性。
　　为了避免EPS的提取损失，减少实验操作时间，尽可能的实现预警指标的在线检测，将荧光探针与胞外聚合物的多糖（海藻酸钠）结合，并进行荧光探针方法学研究。分离纯化得到海藻酸钠降解菌，采用正交实验对海藻酸钠降解酶的发酵条件进行优化，得到其最优发酵条件:温度为50℃，时间为48h，接种量为6％。对该酶的理化性质进行研究，得到酶反应最适pH为7.5，最适温度为40℃，米氏动力学拟合得到该酶的米氏常数和最大反应速率值。通过Zeta电位分析和红外光谱分析得到香豆素中的二乙氨基可以与海藻酸钠的羧基发生结合作用。在激发波长366nm，发射波长390nm条件下分别对反应物和结合物的荧光性质进行测定，可以得到酶和海藻酸钠对香豆素的荧光性质影响较小，加入酶作用5min之后测定得到体系的荧光强度减弱，表明香豆素荧光探针能够在一定程度上反映EPS中多糖的浓度变化，为后续应用提供方法学依据。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 餐厨垃圾的研究

1．1．1 餐厨垃圾的产生及特性

1．1．2 餐厨垃圾的处理现状

1．1．3 餐厨垃圾的厌氧消化

1．2 厌氧发酵系统稳定性监测指标

1．2．2 产气率

1．2．3 气体成分

1．2．4 挥发性脂肪酸(VFAs)及其异构体

1．3 胞外聚合物的研究

1．3．1 胞外聚合物的组成与分类

1．3．2 胞外聚合物在生物处理体系的应用

1．3．3 胞外聚合物的提取

1．4 香豆素荧光探针的开发

1．4．1 海藻酸钠降解酶

1．4．2 香豆素类荧光探针的原理

1．4．3 香豆素类荧光探针的合成

1．5 研究目的和研究内容

1．5．1 研究目的

1．5．2 研究内容

第二章 阳离子树脂法提取胞外聚合物的条件优化

2．1 材料与方法

2．1．1 实验材料

2．1．2 实验装置

2．1．3 方法与分析

2．2 单因素影响实验研究

2．2．1 树脂添加量

2．2．2 搅拌速率

2．2．3 搅拌时间

2．3 析因设计分析法优化CER法提取条件

2．3．1 实验设计

2．3．2 方差分析

2．3．3 残差分析

2．3．4 主效应分析交互作用分析

2．3．5 交互作用分析

2．4 响应面分析法优化CER法提取条件

2．4．1 实验设计

2．4．2 建立模型及方差分析

2．4．3 等值线图和响应面图分析

2．4．4 最优提取条件

2．5 本章小结

第三章 最优提取条件下的厌氧消化酸化失稳预警指标比较

3．1 材料与方法

3．1．1 实验材料

3．1．2 实验装置

3．1．3 方法与分析

3．2 低F／M系统厌氧消化监测指标的研究

3．2．1 pH值

3．2．2 累积产气量

3．2．3 累积产甲烷量

3．2．4 VFAs及其异构体

3．2．5 EPS含量

3．3 高F／M厌氧酸化失稳预警指标的研究

3．3．1 pH值

3．3．2 累积产气量

3．3．3 累积产甲烷量

3．3．4 VFAs及其异构体

3．3．5 EPS含量

3．4 厌氧酸化失稳预警指标的比较

3．4．1 F／M为2．0的指标比较

3．4．2 F／M为3．0的指标比较

3．4．3 F／M为4．0的指标比较

3．5 本章小结

第四章 基于海藻酸钠的酸化失稳监测指标的方法研究

4．1 材料与方法

4．1．1 实验材料

4．1．2 实验装置

4．1．3 方法与分析

4．2 海藻酸钠降解菌的研究

4．2．1 EPS中海藻酸钠的证明

4．2．2 海藻酸钠降解菌的分离纯化

4．2．3 海藻酸钠降解菌的菌种性质

4．2．4 海藻酸钠降解菌的基因分子鉴定

4．3 海藻酸钠降解酶的研究

4．3．1 酶发酵条件优化

4．3．2 酶反应最适pH值

4．3．3 酶反应最适温度

4．3．4 酶动力学研究

4．4 香豆素荧光探针的定性研究

4．4．1 Zeta电位分析

4．4．2 FTIR分析

4．4．3 香豆素荧光探针荧光性质研究

4．4．4 香豆素荧光探针荧光性质的稳定性

4．5 本章小结

第五章 结论与建议

5．1 结论

5．2 创新点

5．3 建议

参考文献

致谢

发表及已接受的论文

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