CN101735440B - 一种利用水处理剩余污泥合成聚羟基烷酸脂的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种结合高浓度有机酸废水处理、微生物合成PHA和污水厂剩余污泥处置三者的技术特点、实现高浓度含有机酸废水处理、减少剩余污泥产量的利用水处理剩余污泥合成聚羟基烷酸脂的方法。方法步骤包括：活性污泥接种；污泥活性恢复及生物选择阶段；驯化积累PHA；排出一批次的富含PHA的活性污泥进行PHA提取。本发明最主要的特点是简单快速，每一批接种污泥的驯化过程不超过15-30天；装置简单，只通过一个SBR反应器即可实现，驯化过程和积累过程同步；对于城市污水厂二沉池污泥，一般PHA含量占细胞干重可达30％以上；运行稳定性较好，通过设置了一个保证反应器稳定的厌氧选择工艺段，来抑制丝状菌的繁殖防止污泥膨胀崩溃。

Description

一种利用水处理剩余污泥合成聚羟基烷酸脂的方法

(一)技术领域

本发明涉及水处理技术，具体说就是一种利用富含小分子有机酸的废水处理剩余污泥合成聚羟基烷酸脂的方法。

(二)技术背景

随着社会和科技的发展，塑料制品已经在生活中发挥着不可替代的重大作用，在享受着塑料带给人类的便捷的同时，常规的化学塑料生产，消耗了大量的石油等不可再生的能源类物质，同时其稳定的化学性质导致了严重的白色污染。彻底解决这两大问题需要寻找一种易合成、并可在自然界自然分解的环境友好材料，聚羟基烷酸脂PHA有望成为这一理想材料，然而这种物质通常见于微生物细胞内聚物，目前的少数工业规模的生产主要依靠纯菌发酵的方式合成PHA，条件苛刻且成本较高，目前仅能应用于医疗等特殊领域，尚不能完全替代化学塑料大规模应用。已有的PHA生产合成方法有基因工程菌的复配、土著PHA合成菌的回注等，这些方法往往涉及较为复杂的分子生物学、基因工程学，增加了PHA合成的风险和潜在成本；此外还有通过控制条件长期运行驯化普通活性污泥合成PHA的方法，但其控制条件较多，驯化周期长，甚至达数月甚至数年，虽然获得的PHA浓度很高(甚至可超过细胞干重80％)，但总体驯化效率较低，不利于大规模的应用。如果能使用简单的原料、简单的工艺条件，在较短时间内获得较高产量，则具有较大的应用价值。

食品、发酵等行业排出的废水中含有大量的可降解有机物，且浓度较高，这一类的污水处理往往先采用厌氧发酵、水解酸化等工艺以降低其有机物浓度，然而厌氧处理后的出水仍然具有较高浓度的污染物，主要以小分子有机脂肪酸为主，常规的处理思路是通过好氧工艺将其去除。从另一角度看，小分子有机脂肪酸也可作为良好的底物被许多微生物吸收利用，通过控制条件，可令这些有机物转化为资源，变废为宝。

城市污水厂的剩余污泥处置是污水厂运行中的重要问题，剩余污泥产量大、含水率高，常规的浓缩、脱水处理不能从根本上减少剩余污泥。活性污泥是包含大量活性微生物和少量杂质的细菌团，含有大量的生物活性物质、有机物等，如果将PHA合成和剩余污泥处置结合起来，利用剩余污泥合成PHA，不仅可以降低PHA生物合成的成本，为剩余污泥的处置提供了可行的方法，还具有废弃物质资源化的重大意义。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种结合高浓度有机酸废水处理、微生物合成PHA和污水厂剩余污泥处置三者的技术特点、实现高浓度含有机酸废水处理、资源物质回收、降低PHA生产成本、减少剩余污泥产量的利用水处理剩余污泥合成聚羟基烷酸脂的方法。

本发明的目的是这样实现的：所述的一种利用污泥合成聚羟基烷酸脂的方法，方法步骤如下：

步骤一：活性污泥接种：取污水厂剩余活性污泥投入到SBR反应器中，根据微生物生长的一般规律，以富含小分子的有机酸废液为碳源，按照碳源、氮源、磷源的比例为100∶5∶1的条件，调整营养比例及pH，配制培养液，活化稳定剩余污泥；

步骤二：污泥活性恢复及生物选择阶段：先以完全的好氧运行，进行曝气，持续5-7天，待污泥状态良好、颜色由棕黑转至浅黄色，活性稳定后，进入下一周期的驯化过程，这一过程目的是尽快恢复生物活性，通过均衡的营养和长期的持续曝气，在时间序列上形成底物的“匮乏-充盈”环境，这一环境是利于PHA积累的重要因素；

步骤三：驯化积累PHA：在COD∶N∶P＝100∶5∶1基础上，保持COD不变，分别每次减少氮源或者磷源10％～20％的梯度，进行营养梯度限制下的驯化，每减少一个梯度，保持此状态运行2-4天，当减少营养物幅度较大时，宜取较长的运行时间，反之可取较短的运行时间，经过约4-8个阶段，氮源和磷源减少至正常营养比例浓度的10％～20％左右时，即碳源、氮源、磷源比例为100∶0.5～1∶1或100∶5∶0.1～0.2时，可获得PHA占细胞干重比例达30～40％的活性污泥；

步骤四：排出一批次的富含PHA的活性污泥，可进行PHA提取，然后重新投加新一批剩余污泥，按照步骤一到步骤三重复进行，批次获得高产PHA污泥。

本发明一种利用富含小分子有机酸废水处理剩余污泥合成聚羟基烷酸脂的方法，最主要的特点是简单快速，每一批接种污泥的驯化过程不超过15-30天；装置简单，只通过一个SBR反应器即可实现，驯化过程和积累过程同步；产率较高，对于城市污水厂二沉池污泥，一般PHA含量占细胞干重可达30％以上；运行稳定性较好，通过设置了一个保证反应器稳定的厌氧选择工艺段，来抑制丝状菌的繁殖防止污泥膨胀崩溃。

(四)附图说明

图1为本发明的驯化装置简图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作进一步说明。

实施例1：本发明一种利用污泥合成聚羟基烷酸脂的方法，方法步骤如下：

步骤一：活性污泥接种：取污水厂剩余活性污泥投入到SBR反应器中，根据微生物生长的一般规律，以富含小分子的有机酸废液为碳源，按照碳源、氮源、磷源的比例为100∶5∶1的条件，调整营养比例及pH，配制培养液，活化稳定剩余污泥；

步骤二：污泥活性恢复及生物选择阶段：先以完全的好氧运行，进行曝气，持续5-7天，待污泥状态良好、颜色由棕黑转至浅黄色，活性稳定后，进入下一周期的驯化过程，这一过程目的是尽快恢复生物活性，通过均衡的营养和长期的持续曝气，在时间序列上形成底物的“匮乏-充盈”环境，这一环境是利于PHA积累的重要因素；

步骤三：驯化积累PHA：在COD∶N∶P＝100∶5∶1基础上，保持COD不变，分别每次减少氮源或者磷源10％～20％的梯度，进行营养梯度限制下的驯化，每减少一个梯度，保持此状态运行2-4天，当减少营养物幅度较大时，宜取较长的运行时间，反之可取较短的运行时间，经过约4-8个阶段，氮源和磷源减少至正常营养比例浓度的10％～20％左右时，即碳源、氮源、磷源比例为100∶0.5～1∶1或100∶5∶0.1～0.2时，可获得PHA占细胞干重比例达30～40％的活性污泥；

步骤四：排出一批次的富含PHA的活性污泥，可进行PHA提取，然后重新投加新一批剩余污泥，按照步骤一到步骤三重复进行，批次获得高产PHA污泥。

实施例2：本发明方法实现过程如下：

在高浓度有机废水处理工艺中，第一步往往采用厌氧水解酸化、发酵等工艺处理，这些工艺的出水COD仍然较高，且富含大量小分子有机酸，通过调整pH值、营养比例，可将这些有机酸作为微生物可利用的良好底物进行培养，驯化微生物合成PHA。

目前已知的具有合成PHA能力的细菌分布十分广泛，涵盖从杆菌、假单胞菌、光合细菌等多种菌属，污水厂用于污水处理工艺的活性污泥就是一种包含各种细菌和后生动物的稳定生物群落系统，其中不乏PHA合成菌，但是在通常的污水处理工艺条件下，这些细菌合成PHA的能力受到抑制，无法大量地合成PHA。将剩余污泥接种到SBR反应器中，先通过曝气稳定，恢复活性污泥的活性，剔除掉少量死亡、活性低的细菌和其他无机杂质，然后利用微生物容易在碳源相对过剩、氮源或磷源相对匮乏的营养条件下合成PHA的特点，通过逐步、分批次减少培养液中的氮、磷元素含量，使PHA合成菌能迅速在细胞内合成PHA，并在此过程中逐步积累、最终获得较高浓度的PHA，进行后续的提取和纯化工艺。

实施例3：结合图1，实现本发明方法的装置如图1所示，装置采用自控系统，利用时间控制器控制(TIME)进出水及好氧曝气过程，同时在线监测其pH、溶解氧(DO)等参数。

实施例4：本发明的特点是：受污水厂剩余污泥菌群构成的影响，经过此驯化过程的PHA含量在30％～70％间有一定波动，不同批次、不同来源的污泥可能有不同的产率，但由于污水厂剩余污泥量通常很大，同样可获得可观的PHA合成量。

本发明可选择但不限于选择的接种污泥来源有，城市污水处理厂剩余污泥，城市污水厂二沉池污泥，啤酒废水好氧处理工艺剩余污泥，含可降解有机物浓度较高的食品废水处理厂的活性污泥等。其余污废水处理工艺中的活性污泥，也可通过此方法验证其产PHA的能力后，根据需要灵活选择。本方法具有较宽的适应能力。

本发明可使用但不限于使用的培养底物成分为，富含有机酸的废水、高浓度有机废水的水解酸化出水等，在使用含酸废水时，应根据水质特点人工调节其pH值、营养成分等以适应PHA合成微生物的特点，此外还可使用人工配制的小分子有机酸或有机酸盐作为PHA合成的底物。

实施例5：本发明所述的一种利用污泥合成聚羟基烷酸脂的方法可能涉及的已有技术内容有：Chua H等人使用SBR利用活性污泥合成PHA，使用的是成本较高的葡萄糖作为培养物，成本较高，本发明中使用的是富含有机酸的废水，也可以采用人工配制的有机酸盐类水，原料上更丰富更简单；另外Chua所采用的驯化方式，另外其驯化周期长达180d，而本发明仅需10-20d，而且其调节C∶N的比例方式也与本发明不同，本发明的阶梯式提高营养比例的方法，可以快速培养出所需要的富含PHA活性污泥，此外还有一些人采用了微氧-好氧联用的工艺，通过氧气含量达到控制微生物摄取营养的程度来驯化出高产PHA的活性污泥，这一过程甚至可长达数月到数年；而本发明中，厌氧与好氧联用，厌氧阶段并非为了驯化活性污泥富集PHA，而是为了防止在驯化过程中一些丝状菌类微生物的异常繁殖导致的驯化失败，通过引入厌氧工艺过程可提高整个工艺的稳定性，厌氧阶段在本工艺中起到的是生物选择的作用，抑制掉完全好氧条件下容易爆发性繁殖的丝状菌，这一过程中并无PHA的合成，也不是好氧阶段合成PHA作用的补充，这一设计在已有研究中鲜有提及。此外还有通过瞬态补料以实现富集PHA的过程，但是需要通过检测溶解氧等参数来决定补充营养的时机，增加了操作的复杂程度；其他一些利用SBR驯化合成PHA的工艺中，又往往将驯化和富集阶段割裂开来，即富集阶段和驯化阶段分别在不同反应器内进行或者是不同时期内进行；而本发明之工艺除了第一步骤中的活性恢复阶段以外，富集和驯化是同时进行的，驯化的过程就已经在积累PHA，驯化阶段结束，PHA的积累量也同时达到一个较高的水平，简化了工艺装置和步骤。

本发明最主要的特点是简单快速，每一批接种污泥的驯化过程不超过15-30天；装置简单，只通过一个SBR反应器即可实现，驯化过程和积累过程同步；产率较高，对于城市污水厂二沉池污泥，一般PHA含量占细胞干重可达30％以上；运行稳定性较好，通过设置了一个保证反应器稳定的厌氧选择工艺段，来抑制丝状菌的繁殖防止污泥膨胀崩溃。

Claims (1)

1.一种利用污泥合成聚羟基烷酸脂的方法，其特征在于：方法步骤如下：

步骤一：活性污泥接种：取污水厂剩余活性污泥投入到SBR反应器中，根据微生物生长的一般规律，以富含小分子的有机酸废液为碳源，按照碳源、氮源、磷源的比例为100∶5∶1的条件，调整营养比例及pH，配制培养液，活化稳定剩余污泥；

步骤二：污泥活性恢复及生物选择阶段：先以完全的好氧运行，进行曝气，持续5-7天，待污泥状态良好、颜色由棕黑转至浅黄色，活性稳定后，进入下一周期的驯化过程，这一过程目的是尽快恢复生物活性，通过均衡的营养和长期的持续曝气，在时间序列上形成底物的“匮乏-充盈”环境，这一环境是利于PHA积累的重要因素；

步骤三：驯化积累PHA：在COD∶N∶P＝100∶5∶1基础上，保持COD不变，分别每次减少氮源或者磷源10％～20％的梯度，进行营养梯度限制下的驯化，每减少一个梯度，保持此状态运行2-4天，当减少营养物幅度较大时，宣取较长的运行时间，反之可取较短的运行时间，经过4-8个阶段，氮源和磷源减少至正常营养比例浓度的10％～20％时，即碳源、氮源、磷源比例为100∶0.5～1∶1或100∶5∶0.1～0.2时，可获得PHA占细胞干重比例达30～40％的活性污泥；

步骤四：排出一批次的富含PHA的活性污泥，可进行PHA提取，然后重新投加新一批剩余污泥，按照步骤一到步骤三重复进行，批次获得高产PHA污泥。