CN110317839B - 一种利用氯化钠调控混合菌群聚羟基烷酸酯合成稳定性的方法 - Google Patents

一种利用氯化钠调控混合菌群聚羟基烷酸酯合成稳定性的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种利用氯化钠调控混合菌群聚羟基烷酸酯合成稳定性的方法，涉及聚羟基脂肪酸脂混合菌群生产工艺恢复稳定的方法，方法为：将氯化钠加入发生污泥膨胀的PHA合成菌富集反应器中，检测反应器污泥沉降比SV30和MLSS，计算污泥容积指数SVI；如SV30低于50％，SVI低于200，且持续时间超过一个SRT，即可恢复无盐正常运行；如膨胀未明显改善，可继续提升氯化钠投加量，直至各项指标达到要求，恢复正常运行。本发明可以在短时间内快速恢复由于丝状菌膨胀导致的驯化反应器失稳甚至严重的污泥流失，及时防止工艺失稳所带来的生物量和PHA产率降低，较少运行损失。

Description

一种利用氯化钠调控混合菌群聚羟基烷酸酯合成稳定性的 方法
技术领域
本发明属于生物可降解塑料合成和废物资源回收领域，涉及聚羟基脂肪酸脂(PHA)混合菌群生产工艺恢复稳定的方法，具体说即利用氯化钠快速恢复失稳的聚羟基脂肪酸酯混合菌群生产工艺，低成本且快速抑制污泥膨胀引起的污泥流失并在恢复阶段仍能保持PHA生产，降低系统失稳所造成损失的工艺方法。
背景技术
传统工业化和现代化途径催生了以石化塑料为代表的高分子材料，尽管其大规模应用给人类社会带来了巨大便利，随之也带来了对自然环境的严重破坏。常年累月人类生产使用的难以生物降解的传统塑料制品正在严重威胁海洋生态环境和土壤生态环境。近年来，日益受到人们关注的海洋塑料污染和微塑料污染表明传统石化塑料带来的污染不仅会危害动植物，更会影响人类的身体健康。同时，石化资源作为一种不可再生资源，其过度开发必然导致能源枯竭。基于以上问题，聚羟基烷酸酯(Polyhydroxyalkanoate,PHA)作为一种性能良好的生物塑料应运而生，其具有与传统石化塑料相似的理化性能，并且可由生物内源合成，因而易被微生物降解，能够从源头替代传统塑料。目前，混合菌群(MixedMicrobial Cultures，MMCs)生产PHA工艺由于其完全开放式的工艺过程，无需底物灭菌和严格的控菌措施以及可以利用废弃物等特点正被越来越多地研究与应用，但工艺的稳定性不高是阻碍其工业应用的重要因素之一。由于混合菌群合成PHA工艺是开放体系，外界环境因子如温度、溶解氧、碳氮比的突然剧烈波动便易引起系统的失稳，处理不当易造成污泥严重流失而导致整段工艺的崩溃，其中PHA合成菌富集段最易受到影响且程度最大。传统的恢复技术和理论多建立在活性污泥法基础上，通过调节工艺参数和优化环境因子的方法调整周期长、操作性差且投入成本较大。因此，寻找一种快速恢复工艺稳定性的方法能够很好地解决此类问题，有效提高工艺的稳定性。
发明内容
本发明的目的在于提供利用氯化钠快速低成本地恢复PHA混合菌群富集系统稳定性的方法，基于传统PHA合成菌富集反应器，本方法可以在1-2个SRT内快速抑制由于污泥膨胀引起的污泥流失，提升污泥沉降性能，除此之外该方法可不改变其他处于合理范围内的运行参数，降低工艺调整成本，同时在恢复阶段仍能保持PHA生产能力。
本发明提供的利用氯化钠调控混合菌群聚羟基烷酸酯合成稳定性的方法，是按照以下步骤进行的：
一、将氯化钠投加到因污泥膨胀产生污泥流失的混合菌群合成PHA的富集反应器中，富集反应器处于有机负荷800-4000mgCOD/L/d运行，其余运行参数处在传统PHA混合菌群富集反应器的适宜参数范围内；
二、检测反应器污泥沉降比(SV30)和混合液悬浮固体浓度(MLSS)，计算污泥容积指数(SVI)；
三、如果出现以下三种情况中的任何一种：(1)SV30高于50％，(2)SVI大于200，(3)MLSS值低于2500mg/L，则重复以上步骤一、二，并按步骤三中的方法进行判定；
如果SV30不高于50％，SVI不大于200，MLSS值不低于2500mg/L，且以上参数范围持续时间超过一个污泥停留时间(SRT)，即可恢复无盐正常运行。
优选地，步骤一所述氯化钠的投加量为：当第一次进行步骤一时，氯化钠投加量为终浓度3-5g/L，第二次及之后每次进行步骤一时，氯化钠投加量为终浓度5-10g/L。
优选地，氯化钠投加总量最高为终浓度10-15g/L。
优选地，步骤一中所述的富集反应器处于15-25℃条件下，持续曝气。
优选地，步骤一中所述的富集反应器的运行周期为6-12h。
优选地，步骤一中所述的富集反应器的污泥停留时间SRT为5-15d。
优选地，步骤一中所述的富集反应器的底物碳源为小分子有机酸、乙醇或甘油中的一种或二种以上。
优选地，步骤二中所述的指标达标时间持续1.5个SRT。
优选地，所述的小分子有机酸为乙酸、丙酸、丁酸、戊酸或异戊酸中的一种或二种以上。
有益效果
本发明与其他恢复工艺相比，具有如下优点：
本发明可以在较短时间内(1-2个SRT)快速恢复由于丝状菌膨胀导致的驯化反应器失稳甚至严重的污泥流失，及时防止工艺失稳所带来的生物量和PHA产率降低，较少运行损失。
本发明运用的主要物质为氯化钠，为多数底物如餐厨垃圾等中常见物质，且廉价易得，降低了恢复工艺的成本。本发明可以根据较易测得的工艺参数实时反馈恢复效果，从而及时调整氯化钠投加量，进一步精细了恢复工艺，有效预防过度投加。同时本发明中调整手段皆是基于传统PHA混合菌群驯化工艺，不需调整原有工艺参数，并在恢复过程中仍可保持PHA生产，最大程度上降低对原有生产线的影响。
附图说明
图1为本发明的PHA菌驯化恢复流程示意图；
图2为本发明的运行效果图，反映氯化钠投加后恢复过程的MLSS、SV30、SVI变化。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的氯化钠用于快速恢复失稳聚羟基脂肪酸酯混合菌群生产工艺的方法，具体步骤如下：
一、将3-5g/L的氯化钠投加到因丝状菌膨胀产生污泥流失的PHA混合菌群驯化SBR反应器中，SBR反应器的容积负荷为1000-2000mgCOD/L/d，底物碳源为乙酸、丙酸、丁酸、戊酸和乙醇的组合，SRT为10d，HRT为1d，运行周期为12h；
二、从SBR反应器中取100mL周期末端的混合液，观测每日反应器污泥沉降比(SV30)和混合液悬浮固体浓度(MLSS)，计算污泥容积指数(SVI)；
三、如SV30不高于50％，SVI不大于200，MLSS值不低于2500mg/L，且持续时间超过一个污泥停留时间(SRT)，即可恢复无盐正常运行；
如膨胀未明显改善，包括SV30高于50％、SVI大于200、MLSS值低于2500mg/L中的单种或多种情况的持续，重复以上步骤，可继续提升氯化钠投加量至10g/L，直至各项指标达到上述可恢复无盐正常运行的要求，即可恢复正常运行。
本实施方式需满足以下条件：恢复过程的pH和溶解氧在线监测；反应装置位于室温条件下(20-25℃)；
本实施方式步骤一中所述的底物除碳源外，还有氮源、磷源以及其他营养元素和微量元素；
每1L第一次进的水中含有浓度为25mg/L的MgSO4溶液、浓度为10mgL的CaCl2溶液和浓度为20mg/L的EDTA溶液；
每1L第一次进的水中含有1mL的微量元素母液，所述的微量元素母液中含有0.3mg/L的H3BO3、0.3mg/L的CoCl2、0.06mg/L的CuSO4、3mg/L的FeCl3·6H2O、0.24mg/L的ZnSO4·7H2O、0.24mg/L的MnCl2·H2O和0.12mg/L的Na2MoO4·2H2O。
本实施方式提出的利用氯化钠恢复由污泥膨胀产生的系统失稳策略具有高效快速的特点，能够在1-2个SRT内显著降低驯化反应器内菌群的SV30和SVI值，有效提升反应器内生物量浓度，防止污泥严重流失。同时恢复过程不需调整其他工艺参数，在恢复期间仍能保持工艺生产能力，降低损失。恢复过程简单易行，成本低廉，适宜于工业运用。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：SBR反应器处于15-25℃条件下，持续曝气。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：SBR反应器的运行周期为6-12h。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是：SBR反应器的污泥停留时间SRT为5-15d。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是：SBR反应器的容积负荷为800-4000mgCOD/L/d。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二中所述的指标达标时间持续1.5个SRT。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一不同的是：底物小分子有机酸为乙酸、丙酸、丁酸、异丁酸、戊酸和异戊酸的任意比例组合。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三中所述的氯化钠投加量为5-10g/L。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一不同的是：驯化底物使用为富含挥发酸的实际底物，如污泥产酸废水、餐厨垃圾产酸液等。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一不同的是：采用曝气和机械搅拌提供充分的溶解氧。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三中所述的氯化钠最大投加量为10-15g/L。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所用的实现PHA合成菌筛选富集的反应器形式为其他序批运行的反应器，如CASS、CAST等。其它与具体实施方式一相同。
通过以下实施例验证本发明的有益效果：
本实施例的一种高效连续流聚羟基烷酸脂混和菌群合成方法，具体步骤如下：
一、将氯化钠以5g/L的终浓度投加到因丝状菌膨胀产生污泥流失的混合菌群合成PHA驯化SBR反应器中，SBR反应器的容积负荷为1000-2000mgCOD/L/d，采用模拟餐厨垃圾发酵液，底物碳源包括乙酸(20％)、丙酸(10％)、丁酸(60％)、戊酸(5％)和乙醇(5％)的组合(摩尔百分比)，SRT为10d，HRT为1d，运行周期为12h；
二、从SBR反应器中取100mL周期末端的混合液，观测每日反应器污泥沉降比(SV30)和混合液悬浮固体浓度(MLSS)，计算污泥容积指数(SVI)，
三、如SV30不高于50％，SVI不大于200，MLSS值不低于2500mg/L，且持续时间超过一个污泥停留时间(SRT)，即可恢复无盐正常运行；
发现膨胀未明显改善，包括SV30高于50％、SVI大于200、MLSS值低于2500mg/L中的单种或多种情况的持续，重复以上步骤，继续提升氯化钠投加量至10g/L，直至各项指标达到上述可恢复无盐正常运行的要求，恢复正常运行。
本实施例需满足以下条件：恢复过程的pH和溶解氧在线监测；反应装置位于室温条件下(20-25℃)；
本实施例步骤一中所述的底物除碳源外，还有氮源、磷源以及其他营养元素和微量元素；
每1L第一次进的水中含有浓度为25mg/L的MgSO4溶液、浓度为10mgL的CaCl2溶液和浓度为20mg/L的EDTA溶液；
每1L第一次进的水中含有1mL的微量元素母液，所述的微量元素母液中含有0.3mg/L的H3BO3、浓度为0.3mg/L的CoCl2、浓度为0.06mg/L的CuSO4、浓度为3mg/L的FeCl3·6H2O、浓度为0.24mg/L的ZnSO4·7H2O、浓度为0.24mg/L的MnCl2·H2O和浓度为0.12mg/L的Na2MoO4·2H2O。
本实施例提出的利用氯化钠恢复由丝状菌膨胀产生的系统失稳策略具有高效快速的特点，能够在2个SRT内显著降低驯化反应器内菌群的SV30和SVI值，分别可降至12％和45mL/g，有效提升反应器内生物量浓度，防止污泥严重流失。同时恢复过程不需调整其他工艺参数如运行周期、SRT、HRT等，在恢复期间仍能保持工艺生产能力，降低损失。恢复过程简单易行，成本低廉，适宜于工业运用。

Claims (8)

1.一种利用氯化钠调控混合菌群聚羟基烷酸酯合成稳定性的方法，其特征在于：包括以下步骤：
一、将氯化钠投加到因污泥膨胀产生污泥流失的混合菌群合成PHA的富集反应器中，富集反应器处于有机负荷800-4000mgCOD/L/d运行；
二、检测反应器污泥沉降比(SV30)和混合液悬浮固体浓度(MLSS)，计算污泥容积指数(SVI)；
三、如果出现以下三种情况中的任何一种：(1)SV30高于50％，(2)SVI大于200，(3)MLSS值低于2500mg/L，则重复以上步骤一、二，并按步骤三中的方法进行判定；
如果SV30不高于50％，SVI不大于200，MLSS值不低于2500mg/L，且以上参数范围持续时间超过一个污泥停留时间(SRT)，即可恢复无盐正常运行。
2.根据权利要求1所述的利用氯化钠调控混合菌群聚羟基烷酸酯合成稳定性的方法，其特征在于：步骤一所述氯化钠的投加量为：当第一次进行步骤一时，氯化钠投加量为终浓度3-5g/L，第二次及之后每次进行步骤一时，氯化钠投加量为终浓度5-10g/L。
3.根据权利要求1所述的利用氯化钠调控混合菌群聚羟基烷酸酯合成稳定性的方法，其特征在于：氯化钠投加总量最高为终浓度10-15g/L。
4.根据权利要求1所述的利用氯化钠调控混合菌群聚羟基烷酸酯合成稳定性的方法，其特征在于：步骤一中所述的富集反应器处于15-25℃条件下，持续曝气。
5.根据权利要求1所述的利用氯化钠调控混合菌群聚羟基烷酸酯合成稳定性的方法，其特征在于：步骤一中所述的富集反应器的运行周期为6-12h。
6.根据权利要求1所述的利用氯化钠调控混合菌群聚羟基烷酸酯合成稳定性的方法，其特征在于：步骤一中所述的富集反应器的污泥停留时间SRT为5-15d。
7.根据权利要求1所述的利用氯化钠调控混合菌群聚羟基烷酸酯合成稳定性的方法，其特征在于：步骤一中所述的富集反应器的底物碳源为小分子有机酸、乙醇或甘油中的一种或二种以上。
8.根据权利要求7所述的利用氯化钠调控混合菌群聚羟基烷酸酯合成稳定性的方法，其特征在于：所述的小分子有机酸为乙酸、丙酸、丁酸、戊酸或异戊酸中的一种或二种以上。
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