CN102505025A - 一种以剩余污泥发酵液为底物合成聚羟基脂肪酸酯的方法 - Google Patents
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Abstract
一种以剩余污泥发酵液为底物合成聚羟基脂肪酸酯的方法，涉及聚羟基脂肪酸酯的合成方法。将城市好氧活性污泥投入污泥驯化器中，按进水-好氧曝气-排泥-沉淀-出水为1个驯化周期进行驯化，好氧曝气时控制曝气量为1～3L/L/min，连续驯化18～22个周期，得驯化稳定的活性污泥；将城市剩余污泥放入反应器中，再加入氢氧化钠，热碱预处理后，调节pH值至中性，再接种厌氧污泥，搅拌下进行厌氧发酵，分离得挥发性脂肪酸发酵液；将驯化稳定的活性污泥于合成反应器中，加入挥发性脂肪酸发酵液进行污泥合成聚羟基脂肪酸酯，调pH值为中性，在间歇曝气条件下，添加乙酸钠为外加碳源，进行聚羟基脂肪酸酯的合成。
Description
技术领域
本发明涉及聚羟基脂肪酸酯的合成方法，尤其是涉及一种以剩余污泥发酵液为底物合成聚羟基脂肪酸酯的方法。
背景技术
随着能源价格的不断上涨以及环境问题的日益凸显，以生物可降解材料替代传统的石油产品的步伐呈现出逐步加快的趋势。利用纯菌发酵生产生物可降解材料聚羟基脂肪酸酯(PHAs)已实现工业化，但它们生产成本高，一直不能得到大规模的工业应用。近十几年来，以污泥合成PHAs的相关研究得到较大的发展；然而，与传统的石油塑料相比污泥合成的PHAs价格仍然过高，其原因是碳源底物成本过高。因此，利用低廉的废弃物作为污泥合成PHAs的碳源底物是发展趋势。如Liu等(Water Environment Research，2008，80，367-372)报道了一种处理番茄罐头厂废水及合成PHAs的耦合工艺，该工艺以处理废水的同时驯化筛选可以富集PHAs的菌群，之后以番茄罐头厂的废弃物为底物进行污泥合成PHAs，但其获得的PHAs含量偏低为污泥干重(以固体浓度MLSS计)的20％。
Bengtsson等(Bioresource Technology，2008，99，509-516)报道了利用造纸厂的废水为原料进行污泥合成PHAs的工艺，该工艺先对造纸厂的废水进行厌氧发酵产挥发性脂肪酸(VFAs)，再以VFAs为底物采用好氧瞬时供料法进行污泥合成PHAs，在累积25h之后获得的PHAs含量可占污泥干重(以混合液悬浮固体浓度(MLSS)计)的48％，但其VFAs的转化操作较复杂，且获得的PHAs含量较低。
Chakravarty等(Bioresource Technology，2010，101，2896-2899)报道了一种以废水为底物进行活性污泥合成PHAs的工艺，该工艺以生产牛奶和冰激凌所产生的废水为原料进行厌氧发酵产VFAs，以获得的VFAs为底物采用好氧工艺进行污泥合成PHAs，其PHAs含量可占污泥细胞干重(以可挥发性固体浓度(VSS)计)的43％左右。
公开号为CN101555314A的发明专利申请公开一种以剩余污泥发酵液为碳源合成PHAs的方法，该方法以污泥水解酸化所产生的VFAs为碳源，利用好氧瞬时供料法进行PHAs的合成，在采用多次投料的方式下，获得的PHAs含量可占污泥细胞干重(以VSS计)72.9％；但该法在污泥的酸化过程中所用时间较长需要6～10d左右，而且用于合成PHAs的污泥浓度较低。
公开号为CN101255227A的发明专利申请公开一种利用含油污泥合成PHAs的方法，该方法在对含油污泥进行微生物处理过程中，于处理反应器中加入大量水，在一定温度下，使污泥微生物利用石油进行PHAs的合成，但该方法只是简单介绍工艺过程，并无相关数据说明。
尽管上述专利文献对利用废弃物进行污泥合成PHAs的工艺进行了探讨和研究，但在污泥合成PHAs过程中PHAs的含量及PHAs的合成成本都达不到工业化要求。
发明内容
本发明的目的旨在提供一种提高聚羟基脂肪酸酯(PHAs)在污泥中的含量及降低污泥合成PHAs成本的以剩余污泥发酵液为底物合成聚羟基脂肪酸酯的方法。
本发明包括以下步骤：
1)将城市好氧活性污泥投入污泥驯化器中，按进水-好氧曝气-排泥-沉淀-出水为1个驯化周期进行驯化，好氧曝气时控制曝气量为1～3L/L/min，连续驯化18～22个周期，得驯化稳定的活性污泥；
2)将城市剩余污泥放入反应器中，再加入氢氧化钠，热碱预处理后，调节pH值至中性，再接种厌氧污泥，搅拌下进行厌氧发酵，分离得挥发性脂肪酸发酵液；
3)将驯化稳定的活性污泥于合成反应器中，加入步骤2)得到的挥发性脂肪酸发酵液进行污泥合成聚羟基脂肪酸酯，调pH值为中性，在间歇曝气条件下，添加乙酸钠为外加碳源，进行聚羟基脂肪酸酯的合成。
在步骤1)中，所述污泥驯化器的有效体积可为6L，所述活性污泥浓度以MLSS计可为1～4g/L；所述一个驯化周期可为22～24h，所述好氧曝气的时间可为20～22h，所述沉淀的时间可为1～3h，排上清液；所述水可为培养基溶液，每1L培养基溶液中的成分及在驯化反应体系中的浓度可为：CH3COOH 0.1～1.5mL/L，CH3CH2COOH 0.1～0.7mL/L，KCl100～360mg/L，K2HPO4·3H2O 50～250mg/L，NH4Cl 85～300mg/L，MgSO470～230mg/L，CaCl220～100mg/L，FeCl3·6H2O 5～20mg/L，蛋白胨110～600mg/L，酵母膏30～206mg/L；所述排泥为排出生长的污泥，以控制驯化器中的污泥浓度不变。
在步骤2)中，所述城市剩余污泥的浓度以MLSS计可为10～50g/L，所述氢氧化钠的用量，按质量比，污泥干重∶氢氧化钠可为1∶(0.033～0.06)；所述热碱预处理的温度可为30～90℃，热碱预处理的时间可为30～90min；所述厌氧发酵的时间可为24～60h。
在步骤3)中，所述间歇曝气条件可为曝气30min，再搅拌30min的间歇曝气条件；所述外加碳源乙酸钠的浓度可为1～4g/L；所述添加乙酸钠的方式可为多次投加，最好投加1～6次，投加的流加量可为2～30mL/min。
本发明以剩余污泥发酵获得的VFAs发酵液为底物与活性污泥合成PHAs结合起来，在实现污泥资源化的同时降低了污泥合成PHAs的生产成本。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
(1)污泥的驯化
取5L MLSS为1g/L的活性污泥于驯化器中，加入培养基溶液使污泥体系中的各成分浓度为：CH3COOH 0.1mL/L，CH3CH2COOH 0.7mL/L，KCl 100mg/L，K2HPO4·3H2O 50mg/L，NH4Cl 85mg/L，MgSO470mg/L，CaCl220mg/L，FeCl3·6H2O 5mg/L，蛋白胨110mg/L，酵母膏30mg/L，调初始pH值为中性，在曝气量为1L/L/min下，好氧曝气21h，停止曝气，排泥，控制污泥浓度为1g/L，沉淀1h后排出3L上清液，再“进水-好氧曝气-排泥-沉淀-出水”培养驯化18个周期后，污泥性状稳定，外观由灰黑色逐渐转变为浅褐色。
(2)剩余污泥厌氧发酵产VFAs
取1L MLSS为10g/L污泥于反应器中，加入0.5g氢氧化钠，在30℃、磁力搅拌的条件下处理30min，用盐酸溶液将pH值调至中性；加入10mL浓度为45g/L作为接种物的厌氧污泥后，在室温条件下磁力搅拌。反应24h得到浓度为1.23g/L的挥发性脂肪酸。
(3)污泥合成PHAs
取(1)中驯化稳定的污泥1L，沉淀，去上清液；在室温下，加入1L(2)中的VFAs发酵液为底物，调初始pH值为中性，在曝气30min-搅拌30min的循环间隙曝气方式下，采用一次投加底物的方式进行PHAs的合成，累积3h后，可获得PHAs浓度为356mg/L，PHAs占污泥干重为15.8％，底物转化率为29％(底物和PHAs都换算成化学需氧量(COD))。
实施例2
(1)污泥的驯化
取5L MLSS为2g/L的活性污泥于驯化器中，加入培养基溶液使污泥体系中的各成分浓度为：CH3COOH 0.6mL/L，CH3CH2COOH 0.2mL/L，KCl 234mg/L，K2HPO4·3H2O 150mg/L，NH4Cl 194mg/L，MgSO4150mg/L，CaCl254mg/L，FeCl3·6H2O 10mg/L，蛋白胨334mg/L，酵母膏124mg/L，调初始pH值为中性，在曝气量为，2L/L/min下，好氧曝气21h，停止曝气，排泥，控制污泥浓度为2g/L，沉淀2h后排出3L上清液，再“进水-好氧曝气-排泥-沉淀-出水”培养驯化20个周期后，污泥性状稳定，外观由灰黑色逐渐转变为浅褐色。
(2)剩余污泥厌氧发酵产VFAs
剩余污泥厌氧发酵产VFAs见实施例1，其区别在于用于厌氧发酵产酸的污泥浓度MLSS为20g/L，加入的氢氧化钠为1g，在60℃、磁力搅拌的条件下处理50min。反应32h得到浓度为2.06g/L的挥发性脂肪酸。
(3)污泥合成PHAs
污泥合成PHAs见实施例1，累积6h后，获得的PHAs浓度为783mg/L，PHAs占污泥干重为28.6％，底物转化率为36％。
实施例3：
(1)污泥的驯化
污泥的驯化见实施例2。
(2)剩余污泥厌氧发酵产VFAs
剩余污泥厌氧发酵产VFAs见实施例1，其区别在于用于厌氧发酵产酸的污泥浓度MLSS为30g/L，加入的氢氧化钠为1g，在60℃、磁力搅拌的条件下处理60min。反应36h得到浓度为2.96g/L的挥发性脂肪酸。
(3)污泥合成PHAs
污泥合成PHAs见实施例1，累积10h后，获得的PHAs浓度为1353mg/L，PHAs占污泥干重为36.2％，底物转化率为42％。
实施例4～7：
(1)污泥的驯化
污泥的驯化见实施例2。
(2)剩余污泥厌氧发酵产VFAs
剩余污泥厌氧发酵产VFAs见实施例1，其区别在于，在3L MLSS为41g/L的污泥中加入6g氢氧化钠，在60℃、磁力搅拌的条件下处理60min。反应48h得到浓度为4.08g/L的挥发性脂肪酸。
(3)污泥合成PHAs
污泥合成PHAs见实施例1，其区别在于外加乙酸钠的浓度不同，分别为0、1、2.5、4g/L。获得的PHAs合成结果见表1。
表1不同外加乙酸钠浓度下污泥合成PHAs的结果
实施例8～12：
(1)污泥的驯化
污泥的驯化见实施例2。
(2)剩余污泥厌氧发酵产VFAs
剩余污泥厌氧发酵产VFAs见实施例4。
(3)污泥合成PHAs
污泥合成PHAs见实施例6，其区别在于底物的投加方式不同，分别为分次投加(2、3、5、6次)和流加(2、10、30mL/min)。获得的PHAs合成结果见表2。
表2不同碳氮比条件下污泥合成PHAs的结果
实施例15：
(1)污泥的驯化
取5L MLSS为4g/L的活性污泥于驯化器中，加入培养基溶液使污泥体系中的各成分浓度为：CH3COOH 1.5mL/L，CH3CH2COOH 0.1mL/L，KCl 360mg/L，K2HPO4·3H2O 250mg/L，NH4Cl 300mg/L，MgSO4230mg/L，CaCl2100mg/L，FeCl3·6H2O 20mg/L，蛋白胨600mg/L，酵母膏206mg/L，调初始pH值为中性，在曝气量为3L/L/min下，好氧曝气20h，停止曝气，排泥，控制污泥浓度为4g/L，沉淀3h后排出3L上清液，再“进水-好氧曝气-排泥-沉淀-出水”培养驯化22个周期后，污泥性状稳定，外观由灰黑色逐渐转变为浅褐色。
(2)剩余污泥厌氧发酵产VFAs
剩余污泥厌氧发酵产VFAs见实施例1，其区别在于，在1L MLSS为50g/L的污泥中加入3g氢氧化钠，在90℃、磁力搅拌的条件下处理90min。反应60h得到浓度为4.28g/L的挥发性脂肪酸。
(3)污泥合成PHAs
污泥合成PHAs见实施例1，累积10h后，获得的PHAs浓度为2032mg/L，PHAs占污泥干重为19.7％，底物转化率为49.6％。
Claims (10)
1.一种以剩余污泥发酵液为底物合成聚羟基脂肪酸酯的方法，其特征在于包括以下步骤：
1)将城市好氧活性污泥投入污泥驯化器中，按进水-好氧曝气-排泥-沉淀-出水为1个驯化周期进行驯化，好氧曝气时控制曝气量为1～3L/L/min，连续驯化18～22个周期，得驯化稳定的活性污泥；
2)将城市剩余污泥放入反应器中，再加入氢氧化钠，热碱预处理后，调节pH值至中性，再接种厌氧污泥，搅拌下进行厌氧发酵，分离得挥发性脂肪酸发酵液；
3)将驯化稳定的活性污泥于合成反应器中，加入步骤2)得到的挥发性脂肪酸发酵液进行污泥合成聚羟基脂肪酸酯，调pH值为中性，在间歇曝气条件下，添加乙酸钠为外加碳源，进行聚羟基脂肪酸酯的合成。
2.如权利要求1所述的一种以剩余污泥发酵液为底物合成聚羟基脂肪酸酯的方法，其特征在于在步骤1)中，所述污泥驯化器的有效体积为6L，所述活性污泥浓度以MLSS计为1～4g/L；所述一个驯化周期为22～24h。
3.如权利要求1所述的一种以剩余污泥发酵液为底物合成聚羟基脂肪酸酯的方法，其特征在于在步骤1)中，所述好氧曝气的时间为20～22h，所述沉淀的时间为1～3h。
4.如权利要求1所述的一种以剩余污泥发酵液为底物合成聚羟基脂肪酸酯的方法，其特征在于在步骤1)中，所述水为培养基溶液，每1L培养基溶液中的成分及在驯化反应体系中的浓度为：CH3COOH 0.1～1.5mL/L，CH3CH2COOH 0.1～0.7mL/L，KCl 100～360mg/L，K2HPO4·3H2O 50～250mg/L，NH4Cl 85～300mg/L，MgSO470～230mg/L，CaCl220～100mg/L，FeCl3·6H2O 5～20mg/L，蛋白胨110～600mg/L，酵母膏30～206mg/L。
5.如权利要求1所述的一种以剩余污泥发酵液为底物合成聚羟基脂肪酸酯的方法，其特征在于在步骤2)中，所述城市剩余污泥的浓度以MLSS计为10～50g/L，所述氢氧化钠的用量，按质量比，污泥干重∶氢氧化钠为1∶0.033～0.06。
6.如权利要求1所述的一种以剩余污泥发酵液为底物合成聚羟基脂肪酸酯的方法，其特征在于在步骤2)中，所述热碱预处理的温度为30～90℃，热碱预处理的时间为30～90min。
7.如权利要求1所述的一种以剩余污泥发酵液为底物合成聚羟基脂肪酸酯的方法，其特征在于在步骤2)中，所述厌氧发酵的时间为24～60h。
8.如权利要求1所述的一种以剩余污泥发酵液为底物合成聚羟基脂肪酸酯的方法，其特征在于在步骤3)中，所述间歇曝气条件为曝气30min，再搅拌30min。
9.如权利要求1所述的一种以剩余污泥发酵液为底物合成聚羟基脂肪酸酯的方法，其特征在于在步骤3)中，所述外加碳源乙酸钠的浓度为1～4g/L。
10.如权利要求1所述的一种以剩余污泥发酵液为底物合成聚羟基脂肪酸酯的方法，其特征在于在步骤3)中，所述添加乙酸钠的方式为多次投加，最好投加1～6次，投加的流加量为2～30mL/min。
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