CN108486175A - 一种利用生物转换将污水中的碳源转化为pha并进行回收的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用生物转换将污水中的碳源转化为PHA并进行回收的方法，属于废物资源化处理技术领域。本发明的技术方案要点为：利用城市污水一级处理后的剩余污泥和二沉池剩余污泥作为原料进行微生物的混合培养，混合菌种使工艺运行简单且易于操控，不需要严格的消毒纯菌环境，节省了费用。多种底物的使用使底物的选择从价格较高的单一底物转向了廉价的混合底物，可以从根本上降低PHA的价格。本发明在进行废物资源化的同时能够大幅缩减废物量，减少后续处置费用，产生的PHA作为一种生物降解材料具有较高的经济价值，具有很好的应用前景。

Description

一种利用生物转换将污水中的碳源转化为PHA并进行回收的 方法
技术领域
本发明属于废物资源化处理技术领域，具体涉及一种利用生物转换将污水中的碳源转化为PHA并进行回收的方法。
背景技术
聚羟基脂肪酸酯（PHA）是一类羟基链烷酸酯的聚合物，可由多种微生物作为碳源和能源的储备物贮存在胞内。PHA具有与传统石油基塑料如聚乙烯、聚丙烯等非常相似的理化性质，并且具有可完全生物降解、生物相容和光学活性等优良特性，在医药、农业、化工、建材等领域有着广阔的应用前景，是一种具有广泛应用前景的环境友好型材料，能促进全世界环境的可持续发展，从而引起了科学界和工业界的广泛关注。为了使PHA代替原有传统生物材料实现商业用途，如何最大化的降低PHA的生产成本是一个需要优先考虑的重要问题。
PHA是生物活性污泥法处理污水过程中发生的关键碳转化产物。动态的条件，如一些工艺条件中的间歇进水方式、交替的氧化还原条件（厌氧/缺氧/好氧）都会促进或增强PHA在污泥中的储存能力。由于生物活性污泥法在污水处理中广泛应用，如何利用生物处理过程中的残渣、废物和废水来储存PHA是一种有效的方法，这种方法可以显著降低PHA的生产成本。研究发现，使用回收资源作为底物合成PHA，其生产成本可以降低50%。例如，与纯种培养PHA生产相比，混合微生物培养方法简单，成本较低，不需要严格的无菌条件和无菌生物过程所用的基础设施。而且，在污水处理过程中利用混合微生物培养PHA可以从污水中回收碳源，不但减少了废水处理过程中的剩余污泥排放量，而且可将废水中的污染物转化为环境友好型生物材料。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供了一种利用生物转换将污水中的碳源转化为PHA并进行回收的方法，利用城市污水一级处理后的剩余污泥和二沉池剩余污泥作为原料进行微生物的混合培养，混合菌种使工艺运行简单且易于操控，不需要严格的消毒纯菌环境，节省了费用。多种底物的使用使底物的选择从价格较高的单一底物转向了廉价的混合底物，可以从根本上降低PHA的价格。本发明在进行废物资源化的同时能够大幅缩减废物量，减少后续处置费用，产生的PHA作为一种生物降解材料具有较高的经济价值，具有很好的应用前景。
本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种利用生物转换将污水中的碳源转化为PHA并进行回收的方法，其特征在于具体过程为：将城市污水进行强化一级处理，污水中的溶解性有机物和悬浮固体得到去除，处理后产生的初沉污泥排入污泥发酵罐进行产酸发酵，污水送入微生物培养罐进行生物质产生过程，生物质产生过程采用厌氧/好氧交替的运行方式进行微生物的培养，接种污泥取自污水处理厂的二沉池污泥进行驯化培养，其中所驯化的微生物类群包括聚磷菌和聚糖菌，它们能够在厌氧条件下积累PHA，而在好氧阶段积累的PHA被作为碳源和能源物质维持相应的生命代谢活动，使得微生物周期性经历底物丰盛期和匮乏期，形成以积累PHA为主的微生物优势菌属过程，反应周期设定为厌氧2h，好氧4h，沉淀0.5h，经沉淀后的含有丰富生物质即具有PHA贮存能力的活性污泥微生物的污泥送入PHA富集罐进行PHA的富集，污水则进行下一步的脱氮处理，经脱氮处理后的剩余污泥送入污泥发酵罐进行产酸发酵，发酵时间为16d，该过程中高浓度可生物降解的物质在厌氧条件下以较快的速率发酵酸化分解成易挥发性有机酸VFAs和乳酸的混合物，其中挥发性有机酸VFAs用于提高底物的利用率以促进底物的吸收和转化，产酸发酵过程中pH值控制在6.0±0.1，在此条件下能够获得最高的VSS去除率，进而获得最高的VFAs浓度，有利于后续PHA的合成，经发酵后的污泥发酵液送入PHA富集罐进行PHA的富集，发酵后的污泥经沉淀后排出进行后续处置，此阶段经发酵后的富含VFAs的污泥发酵液为具有PHA贮存能力的活性污泥微生物提供底物，含有丰富生物质的污泥能够快速地吸收底物并将其贮存为PHA，PHA回收后的污泥则进行下一步处置，经处理后污泥减量为20%-40%。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、采用混合微生物培养，设备需求简单，无需严格的无菌条件和无菌生物过程所用的基础设施，与单一菌种培养生产PHA相比，成本大幅降低；
2、工艺运行简单且易于操控，不需要严格的消毒纯菌环境，运行费用较低；
3、利用混合微生物培养PHA可以从污水中回收碳源，减少了废水处理过程中剩余污泥排放量，而且可将废水中的污染物转化为环境友好型再生材料，实现了废物资源化。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
以某污水处理厂的城市污水为例，污水进水水质为：COD浓度350±30mg/L，NH4+-N浓度28±2mg/L，TN浓度35±3mg/L，反应器接种污泥采用污水处理厂二沉池污泥，污泥浓度为3500mg/L。
实验采用SBR反应器进行，采用三套相同的SBR反应器（编号分别为S1、S2和S3），反应器由有机玻璃制成，反应器容积为2.5L，有效容积为2L，S1用于培养微生物，S2用于初级污泥和剩余污泥的产酸发酵，S3用于PHA的富集。
（1）生物质的产生过程
经初级处理后的污水进入S1反应器中，在厌氧条件下碳源被利用储存为PHA，而在好氧阶段，积累的PHA被作为碳源和能源物质维持相应的生命代谢活动，故在此类运行方式中成所培养的微生物为可合成PHA的优势菌群，反应周期设定为厌氧2h，好氧4h，沉淀0.5h，经沉淀后的含有丰富生物质即具有PHA 贮存能力的活性污泥微生物的污泥送入S3进行PHA的富集，出水中大约91%的COD被去除，COD<30mg/L，随后出水进行下一步的脱氮处理。
（2）污泥产酸发酵
初级污泥和剩余污泥混合后在S3中进行产酸发酵，发酵时间为16d，发酵过程中以0.5mol/L的稀硫酸来调节pH，pH控制在6.0±0.1，在此条件下可以获得最高的VSS去除率，进而获得最高的VFAs浓度，有利于后续PHA的合成，发酵后的污泥发酵液中含有丰富乙酸、丙酸、丁酸等易挥发性有机酸（VFAs）及乳酸的混合物，这些挥发性有机酸可以提高底物的利用率，促进底物的吸收和转化，发酵液中总VFAs含量为280mg/L。
（3）PHA的富集
污泥发酵液送入S3中，此阶段富含VFAs的污泥发酵液为具有PHA贮存能力的活性污泥微生物提供底物进行PHA的富集，反应停止后取一部分污泥，污泥经预处理后进行测定，测得PHA含量为0.6g PHA/g VSS。
实施例2
以某制糖工厂的工业废水为例，污水进水水质为：COD浓度5500±50mg/L，反应器接种污泥采用污水处理厂二沉池污泥，污泥浓度为3500mg/L。
实验采用SBR反应器进行，采用三套相同的SBR反应器（编号分别为S1、S2和S3），反应器由有机玻璃制成，反应器容积为2.5L，有效容积为2L，S1用于培养微生物，S2用于初级污泥和剩余污泥的产酸发酵，S3用于PHA的富集。
（1）生物质的产生过程
经初级处理后的污水进入S1反应器中，在厌氧条件下碳源被利用储存为PHA，而在好氧阶段，积累的PHA被作为碳源和能源物质维持相应的生命代谢活动，故在此类运行方式中成所培养的微生物为可合成PHA的优势菌群，反应周期设定为厌氧2h，好氧4h，沉淀0.5h，经沉淀后的含有丰富生物质即具有PHA贮存能力的活性污泥微生物的污泥送入S3进行PHA的富集，COD储存量为0.86g COD/g COD，随后，出水进行下一步的脱氮处理。
（2）污泥产酸发酵
初级污泥和剩余污泥混合后在S3中进行产酸发酵，发酵时间为16d，发酵过程中以0.5mol/L的稀硫酸来调节pH，pH控制在6.0±0.1，在此条件下可以获得最高的VSS去除率，进而获得最高的VFAs浓度，有利于后续PHA的合成，发酵后的污泥发酵液中含有丰富乙酸、丙酸、丁酸等易挥发性有机酸（VFAs）及乳酸的混合物，这些挥发性有机酸可以提高底物的利用率，促进底物的吸收和转化，发酵液中总VFAs含量为4600mg/L。
（3）PHA的富集
污泥发酵液送入S3中，此阶段富含VFAs的污泥发酵液为具有PHA 贮存能力的活性污泥微生物提供底物进行PHA的富集，反应停止后取一部分污泥，污泥经预处理后进行测定，测得PHA含量为0.8g PHA/g VSS。
以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。

Claims (1)

1.一种利用生物转换将污水中的碳源转化为PHA并进行回收的方法，其特征在于具体过程为：将城市污水进行强化一级处理，污水中的溶解性有机物和悬浮固体得到去除，处理后产生的初沉污泥排入污泥发酵罐进行产酸发酵，污水送入微生物培养罐进行生物质产生过程，生物质产生过程采用厌氧/好氧交替的运行方式进行微生物的培养，接种污泥取自污水处理厂的二沉池污泥进行驯化培养，其中所驯化的微生物类群包括聚磷菌和聚糖菌，它们能够在厌氧条件下积累PHA，而在好氧阶段积累的PHA被作为碳源和能源物质维持相应的生命代谢活动，使得微生物周期性经历底物丰盛期和匮乏期，形成以积累PHA为主的微生物优势菌属过程，反应周期设定为厌氧2h，好氧4h，沉淀0.5h，经沉淀后的含有丰富生物质即具有PHA贮存能力的活性污泥微生物的污泥送入PHA富集罐进行PHA的富集，污水则进行下一步的脱氮处理，经脱氮处理后的剩余污泥送入污泥发酵罐进行产酸发酵，发酵时间为16d，该过程中高浓度可生物降解的物质在厌氧条件下以较快的速率发酵酸化分解成易挥发性有机酸VFAs和乳酸的混合物，其中挥发性有机酸VFAs用于提高底物的利用率以促进底物的吸收和转化，产酸发酵过程中pH值控制在6.0±0.1，在此条件下能够获得最高的VSS去除率，进而获得最高的VFAs浓度，有利于后续PHA的合成，经发酵后的污泥发酵液送入PHA富集罐进行PHA的富集，发酵后的污泥经沉淀后排出进行后续处置，此阶段经发酵后的富含VFAs的污泥发酵液为具有PHA贮存能力的活性污泥微生物提供底物，含有丰富生物质的污泥能够快速地吸收底物并将其贮存为PHA，PHA回收后的污泥则进行下一步处置，经处理后污泥减量为20%-40%。
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