CN103290073A - 一种合成高羟基戊酸含量聚羟基烷酸酯的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于环境保护技术领域，具体涉及一种以污水处理厂初沉污泥和剩余污泥联合发酵的液体为碳源，通过活性污泥在好氧条件下合成高羟基戊酸（Hydroxyvalerate，HV）含量的聚羟基烷酸酯（Polyhydroxyalkanoates，PHA）的方法。它首先将污水厂产生的初沉污泥和剩余污泥在厌氧条件下发酵，通过控制初沉污泥与剩余污泥的挥发性悬浮固体（VSS）比例及合适的pH值及发酵时间，以产生所需乙酸和丙酸比例的短链脂肪酸；然后再以活性污泥作为微生物，在好氧条件下合成高HV含量的PHA，其中PHA占细胞干重的64.8%，HV占PHA的77.3%。本发明提供了一种同时资源化利用污水处理厂初沉和剩余污泥，并高效合成性质优良聚羟基烷酸酯的方法，具有良好的环境效益和一定的经济效益。
Description
技术领域
本发明属于环境保护技术领域，具体涉及一种控制污水处理厂的初沉污泥和剩余污泥的比例并进行混合发酵以产生含一定比例的乙酸和丙酸的发酵液，然后以该发酵液为碳源，利用活性污泥在好氧条件下合成高羟基戊酸（Hydroxyvalerate，HV）含量聚羟基烷酸酯（Polyhydroxyalkanoates，PHA）的方法。
背景技术
PHA作为一种传统化学合成塑料的替代品正日益受到广泛的重视，短链脂肪酸（Short Chain Fatty Acids，SCFAs）可以被微生物用作碳源合成PHA。目前无论是以纯菌或活性污泥作为菌种，合成的PHA中主要成分为羟基丁酸（Hydroxybutyrate，HB）。但高HB含量的PHA不但硬而脆，而且熔点较高，热稳定性差，这就导致在温度高于其熔点10°C左右的条件下加工时会使PHA分子量严重下降，从而限制了材料的应用。通过引入其它单体，如羟基戊酸(HV)，则可降低PHA的熔点和结晶度，提高其热稳定性、柔韧性和延展性，使材料耐冲击更易于处理。
以往的研究表明，以乙酸作为主要碳源，再加入丙酸可以促进羟基戊酸（Hydroxyvalerate，HV）单体的产生，从而可以合成一定HV含量的PHA （例如文献Environmental Science &Technology, 2009, 43, 7734-7741），则可以通过向PHA合成系统中加入丙酸来提高PHA中的HV含量。但是，这将消耗人类的有机资源。众所周知，随着全球范围内污水处理率的提高，每年都会产生数量巨大的初沉污泥和剩余污泥。有研究表明剩余污泥发酵可以通过厌氧发酵产生大量的富含乙酸的短链脂肪酸（例如文献Environmental Science &Technology, 2006, 40, 2025-2029），并且该短链脂肪酸能够用于合成高HB含量的PHA（例如发明专利200910051764.2）。如果能利用初沉污泥和剩余污泥的混合物发酵来得到一定乙酸和丙酸比例的发酵液，这对于合成高HV含量的PHA具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种以污水处理厂产生的初沉污泥和剩余污泥厌氧发酵的发酵液为碳源，利用活性污泥作为微生物，在好养条件下合成高羟基戊酸（HV）含量聚羟基烷酸酯（PHA）的方法，其中合成的PHA占细胞干重64.8%、PHA中HV的含量为77.3%。
本发明采用的技术方案如下：
本发明提供的一种合成聚羟基烷酸酯的方法，具体步骤如下：
(1) 将初沉污泥和剩余污泥放入发酵罐中，控制初沉污泥和剩余污泥的挥发性悬浮固体（VSS）比例为1/3~3/1，总挥发性悬浮固体（VSS）含量为6~20 g/L，调节pH至7~9，在室温下搅拌8~10 天进行发酵；
(2) 将上述发酵后的混合物进行泥水分离，收集到的液体即为发酵液；
(3) 将活性污泥置于反应器中，向其中加入步骤(2)中得到的发酵液，控制发酵液与活性污泥的体积比为4:1，在溶解氧浓度为6 mg/L条件下进行曝气，发酵液投加次数为4次，每次投加发酵液曝气时间1h，停止曝气后静止沉淀，排出与所加入发酵液体积相同的上清液，然后补充加入等体积的发酵液并继续曝气，最后一次加入发酵液后10h停止曝气。
本发明中，控制初沉污泥和剩余污泥的挥发性悬浮固体为3/1。
本发明中，步骤(2)中获得发酵液中含有乙酸和丙酸，乙酸和丙酸的（COD）比例为0.90/1~1.20/1。
采用上述方案，本方法合成的PHA占细胞干重的64.8%，其中HV占PHA的77.3%。
本发明的有益效果在于：
(1).具有良好的环境效益。首先，在生产发酵液的同时可以实现初沉和剩余污泥的减量化和稳定化；其次，通过控制两种污泥的比例，可以获得含有一定乙酸和丙酸比例的短链脂肪酸，为合成高HV含量的PHA提供优质碳源，减少乙酸、丙酸等不可再生资源的消耗；最后，所合成的高HV含量的PHA不仅性能优良，还是可以完全生物降解的材料，可用于替代传统石化塑料，从而在一定程度上解决传统塑料所造成的环境污染问题；
(2).具有一定的经济效益。采用活性污泥合成PHA，无需严格控制操作条件，可以节省运行费用，降低PHA的生产成本。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1：
(1). 初沉污泥和剩余污泥厌氧发酵生产生产SCFAs
在有机玻璃制成的工作体积为5升的反应器中，加入城市污水处理厂的初沉污泥和剩余污泥，反应温度20±1 °C，初沉污泥与剩余污泥的挥发性悬浮固体（VSS）比例为3/1，总挥发性悬浮固体（VSS）含量为20 g/L，调节pH为8，在厌氧条件下搅拌8d，取泥水混合物离心，收集清夜即为发酵液，发酵液中含SCFAs 5053 mg COD/L，其中乙酸1797 mg COD/L，丙酸1840 mg COD/L，乙酸和丙酸的比例为0.98/1。
(2). 活性污泥合成高羟基戊酸含量的PHA
将0.5L活性污泥置于反应器中，同时加入发酵液，在好氧条件下曝气，控制溶解氧浓度为6 mg/L，所投加发酵液体积与活性污泥体积比4:1，共投加四次发酵液，每次加入发酵液中的SCFAs消耗完毕后，停止曝气并静止沉淀，排出与投加发酵液体积相同的上清液，并且补加同体积发酵液，4次投加发酵液后分别曝气1、1、1、10h，而后停止曝气，离心收集活性污泥，测得每克污泥中含PHA 648mg，其中含HV 500mg。
(3). 污泥中活性污泥的测定
活性污泥中PHA含量的测定参照相关文献（例如，文献，Applied Microbiology and Biotechnology, 1978, 6, 29-37），具体步骤是：将污泥样品与冷冻干燥机中干燥至粉末状，称取干燥后的污泥粉末与裂解瓶中，依次加入氯仿、硫酸-甲醇和苯甲酸-甲醇溶液，于102°C下裂解数小时，待冷却后，加入蒸馏水离心，取有机相进行气象色谱分析。
实施例2：
在有机玻璃制成的工作体积为5升的反应器中，加入城市污水处理厂的初沉污泥和剩余污泥，反应温度20±1 °C，初沉污泥与剩余污泥的挥发性悬浮固体（VSS）比例为1/3，总挥发性悬浮固体（VSS）含量为8 g/L，调节pH为7，在厌氧条件下搅拌8d，取泥水混合物离心，收集清夜即为发酵液，发酵液中含SCFAs 1404 mg COD/L，其中乙酸460 mg COD/L，丙酸419 mg COD/L，乙酸和丙酸的比例为0.91/1。PHA合成条件同实施例1，反应结束后收集活性污泥，测得每克污泥中含PHA 465 mg, 其中HV 297 mg。
实施例3：
在有机玻璃制成的工作体积为5升的反应器中，加入城市污水处理厂的初沉污泥和剩余污泥，反应温度20±1 °C，初沉污泥与剩余污泥的挥发性悬浮固体（VSS）比例为1/1，总挥发性悬浮固体（VSS）含量为6 g/L，调节pH为9，在厌氧条件下搅拌6 d，取泥水混合物离心，收集清夜即为发酵液，发酵液中含SCFAs 1882 mg COD/L，其中乙酸656 mg COD/L，丙酸722 mg COD/L，乙酸和丙酸的比例为0.91/1。PHA合成条件同实施例1，反应结束后收集活性污泥，测得每克污泥中含PHA 465 mg, 其中HV 297 mg。
实施例4：
在有机玻璃制成的工作体积为5升的反应器中，加入城市污水处理厂的初沉污泥和剩余污泥，反应温度20±1 °C，初沉污泥与剩余污泥的挥发性悬浮固体（VSS）比例为1/3，总挥发性悬浮固体（VSS）含量为10 g/L，调节pH为8，在厌氧条件下搅拌10 d，取泥水混合物离心，收集清夜即为发酵液，发酵液中含SCFAs 2399 mg COD/L，其中乙酸991 mg COD/L，丙酸823 mg COD/L，乙酸和丙酸的比例为1.20/1。PHA合成条件同实施例1，反应结束后收集活性污泥，测得每克污泥中含PHA 430 mg，其中HV 271 mg。
实施例5：
有机玻璃制成的工作体积为5升的反应器中，加入城市污水处理厂的初沉污泥和剩余污泥，反应温度20±1 °C，初沉污泥与剩余污泥的挥发性悬浮固体（VSS）比例为1/1，总挥发性悬浮固体（VSS）含量为4 g/L，调节pH为8，在厌氧条件下搅拌10d，取泥水混合物离心，收集清夜即为发酵液，发酵液中含SCFAs 1506 mg COD/L，其中乙酸560 mg COD/L，丙酸593 mg COD/L，乙酸和丙酸的比例为0.94/1。PHA合成条件同实施例1，反应结束后收集活性污泥，测得每克污泥中含PHA 365 mg, 其中HV 182 mg。
实施例6：
有机玻璃制成的工作体积为5升的反应器中，加入城市污水处理厂的初沉污泥和剩余污泥，反应温度20±1 °C，初沉污泥与剩余污泥的挥发性悬浮固体（VSS）比例为3/1，总挥发性悬浮固体（VSS）含量为14 g/L，调节pH为9，在厌氧条件下搅拌10d，取泥水混合物离心，收集清夜即为发酵液，发酵液中含SCFAs 3454 mg COD/L，其中乙酸1375 mg COD/L，丙酸1443 mg COD/L，乙酸和丙酸的比例为0.95/1。PHA合成条件同实施例1，反应结束后收集活性污泥，测得每克污泥中含PHA 572 mg, 其中HV 385 mg。
实施例7：
有机玻璃制成的工作体积为5升的反应器中，加入城市污水处理厂的初沉污泥和剩余污泥，反应温度20±1 °C，初沉污泥与剩余污泥的挥发性悬浮固体（VSS）比例为1/1，总挥发性悬浮固体（VSS）含量为6 g/L，调节pH为7，在厌氧条件下搅拌8 d，取泥水混合物离心，收集清夜即为发酵液，发酵液中含SCFAs 1439 mg COD/L，其中乙酸498 mg COD/L，丙酸526 mg COD/L，乙酸和丙酸的比例为0.95/1。PHA合成条件同实施例1，反应结束后收集活性污泥，测得每克污泥中含PHA 326 mg, 其中HV 176 mg。
实施例8：
有机玻璃制成的工作体积为5升的反应器中，加入城市污水处理厂的初沉污泥和剩余污泥，反应温度20±1 °C，初沉污泥与剩余污泥的挥发性悬浮固体（VSS）比例为3/1，总挥发性悬浮固体（VSS）含量为4 g/L，调节pH为7，在厌氧条件下搅拌6 d，取泥水混合物离心，收集清夜即为发酵液，发酵液中含SCFAs 1364 mg COD/L，其中乙酸479 mg COD/L，丙酸498 mg COD/L，乙酸和丙酸的比例为0.96/1。PHA合成条件同实施例1，反应结束后收集活性污泥，测得每克污泥中含PHA 376 mg, 其中HV 234 mg。
实施例9：
有机玻璃制成的工作体积为5升的反应器中，加入城市污水处理厂的初沉污泥和剩余污泥，反应温度20±1 °C，初沉污泥与剩余污泥的挥发性悬浮固体（VSS）比例为3/1，总挥发性悬浮固体（VSS）含量为8 g/L，调节pH为7，在厌氧条件下搅拌10d，取泥水混合物离心，收集清夜即为发酵液，发酵液中含SCFAs 2254 mg COD/L，其中乙酸793 mg COD/L，丙酸850 mg COD/L，乙酸和丙酸的比例为0.93/1。PHA合成条件同实施例1，反应结束后收集活性污泥，测得每克污泥中含PHA 526 mg, 其中HV 311 mg。
实施例10：
有机玻璃制成的工作体积为5升的反应器中，加入城市污水处理厂的初沉污泥和剩余污泥，反应温度20±1 °C，初沉污泥与剩余污泥的挥发性悬浮固体（VSS）比例为3/1，总挥发性悬浮固体（VSS）含量为16 g/L，调节pH为9，在厌氧条件下搅拌8d，取泥水混合物离心，收集清夜即为发酵液，发酵液中含SCFAs 3924 mg COD/L，其中乙酸1416 mg COD/L，丙酸1433 mg COD/L，乙酸和丙酸的比例为0.99/1。PHA合成条件同实施例1，反应结束后收集活性污泥，测得每克污泥中含PHA 602 mg, 其中HV 442 mg。
实施例11：
有机玻璃制成的工作体积为5升的反应器中，加入城市污水处理厂的初沉污泥和剩余污泥，反应温度20±1 °C，初沉污泥与剩余污泥的挥发性悬浮固体（VSS）比例为1/3，总挥发性悬浮固体（VSS）含量为20 g/L，调节pH为9，在厌氧条件下搅拌8d，取泥水混合物离心，收集清夜即为发酵液，发酵液中含SCFAs 3274 mg COD/L，其中乙酸1356 mg COD/L，丙酸1268 mg COD/L，乙酸和丙酸的比例为1.07/1。PHA合成条件同实施例1，反应结束后收集活性污泥，测得每克污泥中含PHA 547 mg, 其中HV 396 mg。
实施例12：
有机玻璃制成的工作体积为5升的反应器中，加入城市污水处理厂的初沉污泥和剩余污泥，反应温度20±1 °C，初沉污泥与剩余污泥的挥发性悬浮固体（VSS）比例为1/3，总挥发性悬浮固体（VSS）含量为4 g/L，调节pH为9，在厌氧条件下搅拌6 d，取泥水混合物离心，收集清夜即为发酵液，发酵液中含SCFAs 1274 mg COD/L，其中乙酸456 mg COD/L，丙酸398 mg COD/L，乙酸和丙酸的比例为1.15/1。PHA合成条件同实施例1，反应结束后收集活性污泥，测得每克污泥中含PHA 247 mg, 其中HV 156 mg。
实施例13：
有机玻璃制成的工作体积为5升的反应器中，加入城市污水处理厂的初沉污泥和剩余污泥，反应温度20±1 °C，初沉污泥与剩余污泥的挥发性悬浮固体（VSS）比例为1/1，总挥发性悬浮固体（VSS）含量为20 g/L，调节pH为8，在厌氧条件下搅拌8 d，取泥水混合物离心，收集清夜即为发酵液，发酵液中含SCFAs 3064 mg COD/L，其中乙酸1466 mg COD/L，丙酸1338 mg COD/L，乙酸和丙酸的比例为1.10/1。PHA合成条件同实施例1，反应结束后收集活性污泥，测得每克污泥中含PHA 583 mg, 其中HV 356 mg。
上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种合成聚羟基烷酸酯的方法，其特征在于具体步骤如下：
(1) 将初沉污泥和剩余污泥放入发酵罐中，控制初沉污泥和剩余污泥的挥发性悬浮固体比例为1/3~3/1，总挥发性悬浮固体含量为6~20 g/L，调节pH至7~9，在室温下搅拌8~10 天进行发酵；
(2) 将上述发酵后的混合物进行泥水分离，收集到的液体即为发酵液；
(3) 将活性污泥置于反应器中，向其中加入步骤(2)中得到的发酵液，控制发酵液与活性污泥的体积比为4:1，在溶解氧浓度为6 mg/L条件下进行曝气，发酵液投加次数为4次，每次投加发酵液曝气时间1h，停止曝气后静止沉淀，排出与所加入发酵液体积相同的上清液，然后补充加入等体积的发酵液并继续曝气，最后一次加入发酵液后10h停止曝气。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于控制初沉污泥和剩余污泥的挥发性悬浮固体为3/1。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(2)中获得发酵液中含有乙酸和丙酸，乙酸和丙酸的COD比例为0.90/1~1.20/1。
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| Kazimierowicz et al. | Biohythane Production in Hydrogen-Oriented Dark Fermentation of Aerobic Granular Sludge (AGS) Pretreated with Solidified Carbon Dioxide (SCO2) |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |