CN110564783B - 利用剩余污泥与白酒废水联合生产聚羟基烷酸酯的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用剩余污泥与白酒废水联合生产聚羟基烷酸酯的方法，包括白酒废水与添加部分破碎污泥的剩余污泥在一定比例混合条件下联合厌氧发酵培养，发酵产物作为合成聚羟基烷酸酯的底物；使用序批式反应器进行活性污泥的驯化，使其按照Feast‑Famine模式进行“进料‑曝气‑静沉‑排水‑进料”循环运转，即间歇性的控制反应器内底物充盈与匮乏的持续时间；按一定比例在反应器中加入发酵产物与驯化后的活性污泥，在pH＝8和合成温度为25±1℃条件下，将氧气作为电子受体，进行聚羟基烷酸酯的合成。本发明既能够实现白酒废水的资源化利用和剩余污泥的消减，又能够生产具有较高利用价值的生物塑料聚羟基烷酸酯，实现低成本原料生产聚羟基烷酸酯。

Description

利用剩余污泥与白酒废水联合生产聚羟基烷酸酯的方法
技术领域
本发明涉及环境保护以及资源化技术领域，具体地说是涉及一种利用剩余污泥与白酒废水联合发酵产物为电子供体高效生产聚羟基烷酸酯的方法。
背景技术
PHA(即聚羟基烷酸酯)是一种天然的高分子生物材料，它不仅具有合成塑料的物化特性，还具有生物相容性、气体相隔性、生物可降解性、光学活性等其他独特优良特性，因此PHA广泛应用于包装、医疗、农业、渔业和化妆等领域，受到科学界和产业界的重视。目前采用工业合成PHA主要采用细菌发酵法和基因工程法，但其操作成本高、工艺复杂等缺点严重制约着PHA的市场化。
近年来利用富含多种混合菌群微生物和丰富碳源的活性污泥生产PHA成为了研究热点，并且取得了很大的成果。高浓度有机废水经过水解酸化生成多种VFAs，如乙酸、丙酸、丁酸、乳酸、戊酸、异戊酸等，混合菌群活性污泥能利用有机酸为碳源合成PHA。因此，利用高浓度废水合成PHA不仅可降解废水中的有机污染物，还能降低PHA的生产成本。
白酒作为中国特有的一种蒸馏酒，其生产过程中产生的白酒废水是我国特有的一种高浓度有机废水。据统计，每生产1t白酒就会产生15～25t高浓度有机废水。白酒废水富含淀粉、糖类、醇类、乳酸、乙酸和其他有机酸等，可生化性能较好，是活性污泥法合成PHA的理想碳源。
大量文献表明，白酒废水和剩余污泥在厌氧发酵产酸上具有协同作用，单独利用剩余污泥或者白酒废水进行厌氧发酵时产生的VFAs产率较低，从而限制了后续活性污泥合成PHA的产率。因此，探索白酒废水和剩余污泥在厌氧发酵产酸上是否具有协同作用，并进一步研究活性污泥以白酒废水和剩余污泥联合厌氧发酵液为电子供体合成PHA的可能性具有很大的现实意义。这样不仅资源化利用了污水处理厂产生的大量剩余污泥和白酒行业产生的白酒废水，还有效地实现对废弃物的减量化、无害化和资源化。
发明内容
本发明为了克服现有技术中存在的不足，提供一种利用剩余污泥与白酒废水联合发酵产物为电子供体高效生产聚羟基烷酸酯的方法，提高聚羟基烷酸酯产率。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
利用剩余污泥与白酒废水联合生产聚羟基烷酸酯的方法，包括以下步骤：
1)将白酒废水与添加了破碎污泥的剩余污泥在一定比例混合条件下联合厌氧发酵培养，发酵产物作为合成聚羟基烷酸酯的底物；
2)使用序批式反应器进行活性污泥的驯化，使其按照Feast-Famine模式进行“进料-曝气-静沉-排水-进料”循环运转，即间歇性的控制反应器内底物充盈与匮乏的持续时间；
3)按一定比例在反应器中加入发酵产物与驯化后的活性污泥，在pH＝8和合成温度为25±1℃条件下，将氧气作为电子受体，进行聚羟基烷酸酯的合成。
作为优选，所述步骤1)中的白酒废水与剩余污泥添加比例为4:1，发酵时间为10d。
优选地，步骤1)中所述破碎污泥是经超声破碎仪破碎的，超声破碎仪的超声波频率为20kHz，超声密度1.0W/mL，超声时间为10min，超声预处理后的污泥贮存于4℃进行发酵试验。
通过超声波破解剩余污泥得到破碎污泥，可以释放出污泥细胞中的有机质，有机质在厌氧菌胞外酶的作用下很容易水解成较小的分子，从而促进厌氧消化。而参与厌氧发酵的生物也有可能在超声破解时因细胞破裂大量死亡，导致产酸过程中主导菌群过少，产酸效率低。因此，本工艺采取破碎污泥与未破碎污泥按1:1比例混合，与白酒废水联合发酵。
优选地，所述步骤1)中经超声破碎仪破碎的剩余污泥与未破碎的剩余污泥混合比例为1:1。
优选地，所述步骤3)在氧气作为电子受体条件下，添加LW:(WAS+BS)＝4:1(即白酒废水：(破碎污泥+剩余污泥)＝4:1)的发酵液作为碳源，反应时间3h，PHA达到最大累积量。
本发明中主要控制发酵阶段反应时间、合成阶段反应时间和白酒废水与添加破碎污泥的剩余污泥配比。白酒废水与添加部分破碎污泥的剩余污泥联合厌氧发酵培养的过程中，保证环境无空气进入。本发明的发酵阶段在转速为180rpm的恒温摇床内进行反应，控制pH值为8，温度在35℃，TCOD为15000mg/L，LW:(WAS+BS)＝4:1时，VFAs生成量最大；本发明的合成阶段利用曝气装置持续曝气将反应体系物质混合均匀，控制合成pH值为8，控制反应温度为25±1℃，LW:(WAS+BS)＝4:1时，PHA含量显著提高，对应反应时间为3h。
相对于现有技术，本发明具备如下优点：
1、利用剩余污泥与白酒废水联合发酵产物为电子供体高效生产PHA，不仅实现了剩余污泥和白酒废水的资源化利用，而且产生了高价值的生物塑料PHA，为城市污水和污水厂产生污泥的综合开发利用提供一种新思路。
2、可生物降解塑料PHA是一类胞内生物聚酯，可以由多种微生物合成，具有很高的利用价值。PHA不仅具有与其相似的物理化学性质，还具有完全可生物降解性、生物相容性和热塑料塑性等性能，是替代合成塑料的理想材料，通过混合微生物利用城市污水生产PHA，符合经济社会可持续发展的重要理念。
3、以剩余污泥与白酒废水联合发酵产物为电子供体，氧气为电子受体，在白酒废水：当白酒废水与添加部分破碎污泥的剩余污泥比例为4：1的条件下，可有效促进VFAs产量增大，促进PHA的合成，为本工艺的优选条件。
具体实施方式
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
本发明实施例中采用的活性污泥来源于南京某污水厂二沉池污泥，白酒废水取自宿迁市某酒厂。
实施例1：
利用剩余污泥与白酒废水联合生产聚羟基烷酸酯的方法，包括以下步骤：
(1)在有效容积为450mL的密封盐水瓶中装入6.1mL白酒废水和415mL添加破碎污泥的剩余污泥。调节pH至8，为保证反应在厌氧状态下进行使用氮气吹扫约3min再塞紧瓶塞，最后将盐水瓶放入温度为35℃，转速为180rpm的恒温摇床内进行反应。最大VFAs总积累量为5438mgCOD/L，对应反应时间为4d。
(2)由一台有效容积为9L的序批式反应器，用时序控制器来控制SBR反应平台，使其按照Feast-Famine模式进行“进料-曝气-静沉-排水-进料”循环运转。SBR在环境温度下的好氧动态进料条件下进行并以6h的循环时间操作以保持HRT为24h。由5min流入阶段，200min好氧阶段(溶解氧浓度高于2mg/L)，30min沉降阶段和5min流出阶段组成。
(3)PHA的合成试验在1L的量杯中进行。取SBR反应器内活性污泥250mL，并取200mLVFA稀释液与其混合后开始合成反应。利用曝气装置持续曝气将反应体系物质混合均匀。活性污泥以氧气作为电子受体，将碳源转化为PHA。控制合成pH值为8，控制反应温度为25±1℃。该反应条件下PHA含量为16.14％，对应反应时间为5h。
实施例2：
利用剩余污泥与白酒废水联合生产聚羟基烷酸酯的方法，包括以下步骤：
(1)在有效容积为450mL的密封盐水瓶中装入10.2mL白酒废水和346mL添加破碎污泥的剩余污泥。调节pH至8，为保证反应在厌氧状态下进行使用氮气吹扫约3min再塞紧瓶塞，最后将盐水瓶放入温度为35℃，转速为180rpm的恒温摇床内进行反应。最大VFAs总积累量为7563mgCOD/L，对应反应时间为4d。
(2)由一台有效容积为9L的序批式反应器，用时序控制器来控制SBR反应平台，使其按照Feast-Famine模式进行“进料-曝气-静沉-排水-进料”循环运转。SBR在环境温度下的好氧动态进料条件下进行并以6h的循环时间操作以保持HRT为24h。由5min流入阶段，200min好氧阶段(溶解氧浓度高于2mg/L)，30min沉降阶段和5min流出阶段组成。
(3)PHA的合成试验在1L的量杯中进行。取SBR反应器内活性污泥250mL，并取200mLVFA稀释液与其混合后开始合成反应。利用曝气装置持续曝气将反应体系物质混合均匀。活性污泥以氧气作为电子受体，将碳源转化为PHA。控制合成pH值为8，控制反应温度为25±1℃。该反应条件下PHA含量为19.34％，对应反应时间为3h。
实施例3：
利用剩余污泥与白酒废水联合生产聚羟基烷酸酯的方法，包括以下步骤：
(1)在有效容积为450mL的密封盐水瓶中装入15.3mL白酒废水和260mL添加破碎污泥的剩余污泥。调节pH至8，为保证反应在厌氧状态下进行使用氮气吹扫约3min再塞紧瓶塞，最后将盐水瓶放入温度为35℃，转速为180rpm的恒温摇床内进行反应。最大VFAs总积累量为9057mgCOD/L，对应反应时间为10d。
(2)由一台有效容积为9L的序批式反应器，用时序控制器来控制SBR反应平台，使其按照Feast-Famine模式进行“进料-曝气-静沉-排水-进料”循环运转。SBR在环境温度下的好氧动态进料条件下进行并以6h的循环时间操作以保持HRT为24h。由5min流入阶段，200min好氧阶段(溶解氧浓度高于2mg/L)，30min沉降阶段和5min流出阶段组成。
(3)PHA的合成试验在1L的量杯中进行。取SBR反应器内活性污泥250mL，并取200mLVFA稀释液与其混合后开始合成反应。利用曝气装置持续曝气将反应体系物质混合均匀。活性污泥以氧气作为电子受体，将碳源转化为PHA。控制合成pH值为8，控制反应温度为25±1℃。该反应条件下PHA含量为26.68％，对应反应时间为5h。
实施例4：
利用剩余污泥与白酒废水联合生产聚羟基烷酸酯的方法，包括以下步骤：
(1)在有效容积为450mL的密封盐水瓶中装入20.5mL白酒废水和173mL添加破碎污泥的剩余污泥。调节pH至8，为保证反应在厌氧状态下进行使用氮气吹扫约3min再塞紧瓶塞，最后将盐水瓶放入温度为35℃，转速为180rpm的恒温摇床内进行反应。最大VFAs总积累量为9283mgCOD/L，对应反应时间为10d。
(2)由一台有效容积为9L的序批式反应器，用时序控制器来控制SBR反应平台，使其按照Feast-Famine模式进行“进料-曝气-静沉-排水-进料”循环运转。SBR在环境温度下的好氧动态进料条件下进行并以6h的循环时间操作以保持HRT为24h。由5min流入阶段，200min好氧阶段(溶解氧浓度高于2mg/L)，30min沉降阶段和5min流出阶段组成。
(3)PHA的合成试验在1L的量杯中进行。取SBR反应器内活性污泥250mL，并取200mLVFA稀释液与其混合后开始合成反应。利用曝气装置持续曝气将反应体系物质混合均匀。活性污泥以氧气作为电子受体，将碳源转化为PHA。控制合成pH值为8，控制反应温度为25±1℃。该反应条件下PHA含量为26.03％，对应反应时间为3h。
实施例5：
利用剩余污泥与白酒废水联合生产聚羟基烷酸酯的方法，包括以下步骤：
(1)在有效容积为450mL的密封盐水瓶中装入24.5mL白酒废水和104mL添加破碎污泥的剩余污泥。调节pH至8，为保证反应在厌氧状态下进行使用氮气吹扫约3min再塞紧瓶塞，最后将盐水瓶放入温度为35℃，转速为180rpm的恒温摇床内进行反应。最大VFAs总积累量为11726mgCOD/L，对应反应时间为10d。
(2)由一台有效容积为9L的序批式反应器，用时序控制器来控制SBR反应平台，使其按照Feast-Famine模式进行“进料-曝气-静沉-排水-进料”循环运转。SBR在环境温度下的好氧动态进料条件下进行并以6h的循环时间操作以保持HRT为24h。由5min流入阶段，200min好氧阶段(溶解氧浓度高于2mg/L)，30min沉降阶段和5min流出阶段组成。
(3)PHA的合成试验在1L的量杯中进行。取SBR反应器内活性污泥250mL，并取200mLVFA稀释液与其混合后开始合成反应。利用曝气装置持续曝气将反应体系物质混合均匀。活性污泥以氧气作为电子受体，将碳源转化为PHA。控制合成pH值为8，控制反应温度为25±1℃。该反应条件下PHA含量为27.63％，对应反应时间为3h。
表1白酒废水与剩余污泥添加比例对发酵产酸的影响
表2白酒废水与剩余污泥添加比例对合成PHA的影响
实验结果如表1、2表示：
1.以剩余污泥与白酒废水联合发酵产物为电子供体，氧气为电子受体，可有效合成PHA，在利用活性污泥的同时实现白酒废水的资源化处理及利用。
2.以剩余污泥与白酒废水联合发酵产物为电子供体，氧气为电子受体，在白酒废水：当白酒废水与添加部分破碎污泥的剩余污泥比例为4:1的条件下，可有效促进VFAs产量增大，促进PHA的合成，同时PHB单体占比显著提高，因此为本工艺的优选条件。其主要原因在于用于分解糖和蛋白质的的α-淀粉酶和蛋白酶在LW:(WAS+BS)＝4:1时更加具有活性，另外白酒废水的投加能够促进剩余污泥和破碎污泥水解，LW:(WAS+BS)的值为4:1时更有利于碳水化合物的水解。
上述的对实施例的描述是为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，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.利用剩余污泥与白酒废水联合生产聚羟基烷酸酯的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）将白酒废水与添加了破碎污泥的剩余污泥在一定比例混合条件下联合厌氧发酵培养，发酵产物作为合成聚羟基烷酸酯的底物；白酒废水与剩余污泥添加比例为4:1，发酵时间为10 d；步骤1）中所述破碎污泥是经超声破碎仪破碎的，超声破碎仪的超声波频率为20kHz，超声密度1.0 W/mL，超声时间为10 min，超声预处理后的污泥贮存于4℃进行发酵试验；经超声破碎仪破碎的剩余污泥与未破碎的剩余污泥混合比例为1:1；
2）使用序批式反应器进行活性污泥的驯化，使其按照Feast-Famine 模式进行“进料-曝气-静沉-排水-进料”循环运转，即间歇性的控制反应器内底物充盈与匮乏的持续时间；
3）按一定比例在反应器中加入发酵产物与驯化后的活性污泥，在pH=8和合成温度为25±1℃条件下，将氧气作为电子受体，添加白酒废水与剩余污泥比例为4:1的发酵液作为碳源，反应时间3 h，进行聚羟基烷酸酯的合成， PHA达到最大累积量。
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