CN112812280B - 一种生产聚羟基脂肪酸酯耦合反硝化脱氮的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种生产聚羟基脂肪酸酯耦合反硝化脱氮的方法，所述方法利用驯化后的活性污泥为菌种进行发酵生产聚羟基脂肪酸酯；所述驯化包括：以活性污泥为菌源，以热水解污泥经厌氧发酵、除磷后的上清液为碳源，采用“好氧低磷丰盛期‑缺氧饥饿期”驯化模式，在缺氧饥饿期引入含硝酸盐的废水实现反硝化。本发明的方法可以高效地合成聚羟基脂肪酸酯，且较完美地结合了反硝化过程，为硝酸盐废水提供了一种可能的处理方式。本发明的方法利用了污水处理厂的剩余污泥，且降低了能耗，实现了废物资源化、污染物去除、提高能量利用率的目标，具有应用前景。

Description

一种生产聚羟基脂肪酸酯耦合反硝化脱氮的方法
技术领域
本发明涉及环境保护技术领域，尤其涉及一种生产聚羟基脂肪酸酯耦合反硝化脱氮的方法。
背景技术
聚羟基脂肪酸酯(Polyhydroxyalkanoates，PHA)是一类完全由微生物合成的高分子聚酯的统称。它具有类似于合成塑料的物化特性及合成塑料所不具备的生物可降解性、生物相容性、光学活性、压电性、气体相隔性等许多优秀性能，是一种环境友好型材料，而且由于其单体组成的多样性，赋予了它独特的优点，因此被认为是最理想的合成塑料的替代产品。
目前，纯菌发酵法在PHA生产行业中占据主导地位，但因其需要价值较高的底物、严格的灭菌措施，所以导致价格是合成塑料的5-10倍，制约了纯菌发酵法的大规模商业化应用。
此外，还有利用污水为碳源生产PHA的相关报道，但这些方法仍以基因工程菌为菌种，或者存在碳源利用效率低、工艺条件难以控制、合成的PHA质量不稳定、产量低等缺点。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种生产聚羟基脂肪酸酯耦合反硝化脱氮的方法。
本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种生产聚羟基脂肪酸酯耦合反硝化脱氮的方法，利用驯化后的活性污泥为菌种进行发酵生产聚羟基脂肪酸酯；
所述驯化包括：以活性污泥为菌源，以热水解污泥经厌氧发酵、除磷后的上清液为碳源，采用好氧低磷丰盛期-缺氧饥饿期驯化模式，并在缺氧饥饿期引入含硝酸盐的废水实现反硝化。
本发明研究发现，采用本发明的驯化方法可以得到高效合成PHA并能利用内源PHA进行反硝化的功能菌群，从而高效合成PHA，并实现废物资源化和脱氮的双重效果。
本发明中所述活性污泥为从污泥处理厂曝气池获得的活性污泥。
优选地，所述上清液中总挥发性脂肪酸与非挥发性脂肪酸的含量比例为1/1～2/1。
热水解污泥经过厌氧发酵后，所得上清液中含有乙酸、丙酸、丁酸、戊酸等挥发性脂肪酸VFA。本发明研究发现，当上清液中总VFA与非VFA的比例控制在上述范围内时，有利于维持缺氧饥饿期的选择压力，避免对微生物产生抑制作用，从而获得高效合成PHA并能利用内源PHA进行反硝化的功能菌群。
优选地，为实现上清液中总挥发性脂肪酸与非挥发性脂肪酸的含量比例达到要求，所述热水解污泥经厌氧发酵的条件为：控制发酵温度为25～35℃，全程pH为6.5～7；进一步优选控制进料负荷为9～12gVS/(L·d)，污泥龄为3～6d，搅拌速度为100～300rpm。
上述技术方案中，为分离出所述上清液可采用混凝法、沉淀法、过滤法、离心法等，优选为陶瓷膜过滤法。
优选地，所述好氧低磷丰盛期-缺氧饥饿期驯化模式具体包括：在好氧低磷丰盛期，根据所述上清液中总挥发性脂肪酸的浓度进行适当曝气，好氧低磷丰盛期结束后，沉淀3-5h，去除反应器内的上部澄清液(约占体系总体积的70～80％)，补加等体积的含硝酸盐的废水，停止曝气，进入缺氧饥饿期，直至菌群的内源聚羟基脂肪酸酯消耗殆尽。
采用本发明的好氧低磷丰盛期-缺氧饥饿期驯化模式，既可以降低曝气的能耗，又可以充分消耗微生物体内的内源PHA，将菌群驯化与反硝化完美结合在一起。
其中，当VFA含量降低至0mg/L左右即可视为好氧低磷丰盛期结束。
优选地，在所述好氧低磷丰盛期，控制初始总挥发性脂肪酸的浓度为3.5～4g/L，曝气速率为1.5～3L/min，曝气持续8～11h。
驯化过程中，定期检测好氧低磷丰盛期内的PHA含量以及缺氧饥饿期硝酸盐浓度，当数值基本保持稳定后，视为菌群驯化稳定，可通过排泥的方式将菌群泵入PHA生产发酵罐。
优选地，所述含硝酸盐的废水中硝酸盐的浓度为100-150mgN/L。
当硝酸盐浓度小于100mgN/L时，硝酸盐去除率接近100％，去除能力有富余，当硝酸盐浓度控制在100-150mgN/L时，既可以充分利用菌群进行反硝化，又可以保证较高的硝酸盐去除率。
优选地，将所述含硝酸盐的废水分多次投加，优选至少分三次投加。
本发明研究发现，一次性投加所述含硝酸盐的废水其脱氮效果不如分多次投加，发明人推测可能是高硝酸盐浓度对菌群存在抑制作用。
本发明中，在利用驯化后的活性污泥为菌种进行发酵过程中，以热水解污泥经厌氧发酵后的上清液为发酵培养基。
本发明中所述热水解污泥经厌氧发酵后的上清液，不仅可以作为驯化过程的碳源，也可以作为发酵的培养基，加大了污水处理厂剩余污泥的消耗，有效实现了污泥的减量化与资源化。
优选地，投加前预先将所述发酵培养基处理至磷浓度不超过0.05mg/L。
针对本发明的发酵体系，即菌种为驯化后的活性污泥，培养基为热水解污泥经厌氧发酵后的上清液，本发明研究发现，采用限制磷元素的方法，即控制发酵培养基中磷浓度在0.05mg/L以下，有利于获得高产量的PHA，最终PHA产量可高达占菌体(活性污泥)干重的46％。
其中，可通过化学沉淀法降低磷含量。具体地，可通过投加无机金属絮凝剂使得P含量降低至0.05mg/L以下。
优选地，采用多次投加的方式投加所述发酵培养基，进行聚羟基脂肪酸酯的批次合成。
采用多次投加可有效缓解底物抑制效应，具体可选用脉冲式进料方式，每次添加300-500mgCOD/L的发酵培养基，待其消耗殆尽，进行下一次添加，直至底物消耗速率明显下降，体系中PHA含量达到最高，进入下游PHA提取阶段。
本发明提供了一种生产聚羟基脂肪酸酯耦合反硝化脱氮的方法，该方法可以高效地合成聚羟基脂肪酸酯，且较完美地结合了反硝化过程，为硝酸盐废水提供了一种可能的处理方式。本发明的方法利用了污水处理厂的剩余污泥，且降低了能耗，实现了废物资源化、污染物去除、提高能量利用率的目标，具有应用前景。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下实施例中所用材料若无特别声明，均可以市售购得。
实施例1
本实施例提供一种生产聚羟基脂肪酸酯耦合反硝化脱氮的方法，包括以下步骤：
(1)厌氧发酵阶段：在3L发酵罐中投加热水解污泥，然后接种经预处理去除产甲烷菌的厌氧消化污泥，设置进料负荷为11gVS/(L·d)，污泥龄为5d，pH为7，温度为35℃，转速为150rpm。
(2)发酵液除磷阶段：调节发酵液pH＝7，加入Al2(SO4)3约250mol/L，在60r/min的搅拌速率下搅拌25min，静置30分钟除去沉淀，测得磷酸盐浓度低于0.05mg/L。
(3)发酵上清液分离阶段：取除磷后的发酵液进行陶瓷膜过滤(0.2MPa)，取上清液并测定其组分，其中总溶解性化学需氧量(SCOD)为17.5g/L，各类VFA的比例关系为乙酸：丙酸：丁酸：戊酸为1.8:1:1.5:1(以COD计)，VFA:非VFA＝1.8:1(以COD计)。
(4)PHA菌群驯化富集阶段：以发酵上清液为碳源，曝气池活性污泥为菌源，泵入工作体积为2.5L的PHA驯化发酵罐，控制初始VFA浓度为3.8g/L，泥龄控制为4d，好氧低磷丰盛-缺氧饥饿周期为2d，搅拌速率为160rpm，控制好氧丰盛期的曝气速率为2L/min。丰盛期结束后，结束曝气，沉淀3个小时，倾倒75％的上清液，加入等体积的含硝酸盐(150mgN/L)废水。菌群驯化稳定后，好氧低磷丰盛期约为8.5h，缺氧饥饿期约为35h。
驯化体系PHA含量和硝酸盐降解效率的测定：取好氧丰盛期末期的混合菌液进行测定，VFA含量基本降低为0，PHA产率约为0.5(mgPHA/mgVFA)，菌群PHA含量占菌体干重的41％。取缺氧饥饿期末期溶液测定硝酸盐含量，得到硝酸盐去除率为95％。(硝酸盐去除率＝(硝酸盐初始浓度-硝酸盐终浓度)/硝酸盐初始浓度*100％)
(5)PHA的批式合成阶段：将稳定的驯化体系中饥饿期结束后的混合菌群通过排泥的方式泵入PHA生产发酵罐，将采取与步骤(1)-(3)相同处理方法获得的磷酸盐浓度低于0.05mg/L的发酵上清液作为发酵底物，采用脉冲式进料的方式，每次添加约450mgCOD/L的底物，保持全过程曝气，曝气速率为2L/min，温度为35℃，pH为7.5。待底物消耗殆尽，进行下一次循环添加，直到底物消耗速率低于40mgCOD/(L·h)，最后测得最大PHA含量占菌体干重的46％。
实施例2
本实施例提供一种生产聚羟基脂肪酸酯耦合反硝化脱氮的方法，其与实施例1不同之处在于步骤(4)：
PHA菌群驯化富集阶段：以发酵上清液为碳源，曝气池活性污泥为菌源，泵入工作体积为2.5L的PHA驯化发酵罐，控制初始VFA浓度为3.8g/L，泥龄控制为4d，好氧低磷丰盛-缺氧饥饿周期为2d，搅拌速率为160rpm，控制好氧低磷丰盛期的曝气速率为2L/min。丰盛期结束后，沉淀3个小时，倾倒75％的上清液，加入等体积的含硝酸盐(20mgN/L)废水。
取缺氧饥饿期末期溶液测定硝酸盐含量，得到硝酸盐去除率为99％。
经过合成实验表明最后PHA含量占菌体干重的44％。
实施例3
本实施例提供一种生产聚羟基脂肪酸酯耦合反硝化脱氮的方法，其与实施例1不同之处在于步骤(4)：
PHA菌群驯化富集阶段：以发酵上清液为碳源，曝气池活性污泥为菌源，泵入工作体积为2.5L的PHA驯化发酵罐，控制初始VFA浓度为3.8g/L，泥龄控制为4d，好氧低磷丰盛-缺氧饥饿周期为2d，搅拌速率为160rpm，控制好氧低磷丰盛期的曝气速率为2L/min。丰盛期结束后，沉淀3个小时，倾倒75％的上清液，加入等体积的含硝酸盐(60mgN/L)废水。
取缺氧饥饿期末期溶液测定硝酸盐含量，得到硝酸盐去除率为98％。
经过合成实验表明最后PHA含量占菌体干重的44％。
实施例4
本实施例提供一种生产聚羟基脂肪酸酯耦合反硝化脱氮的方法，其与实施例1不同之处在于步骤(4)：
PHA菌群驯化富集阶段：以发酵上清液为碳源，曝气池活性污泥为菌源，泵入工作体积为2.5L的PHA驯化发酵罐，控制初始VFA浓度为3.8g/L，泥龄控制为4d，好氧低磷丰盛-缺氧饥饿周期为2d，搅拌速率为160rpm，控制好氧低磷丰盛期的曝气速率为2L/min。丰盛期结束后，沉淀3个小时，倾倒75％的上清液，加入等体积的含硝酸盐(120mgN/L)废水。
取缺氧饥饿期末期溶液测定硝酸盐含量，得到硝酸盐去除率为95％。
经过合成实验表明最后PHA含量占菌体干重的44％。
实施例5
本实施例提供一种生产聚羟基脂肪酸酯耦合反硝化脱氮的方法，其与实施例1不同之处在于步骤(4)：
PHA菌群驯化富集阶段：以发酵上清液为碳源，曝气池活性污泥为菌源，泵入工作体积为2.5L的PHA驯化发酵罐，控制初始VFA浓度为3.8g/L，泥龄控制为4d，好氧低磷丰盛-缺氧饥饿周期为2d，搅拌速率为160rpm，控制好氧低磷丰盛期的曝气速率为2L/min。丰盛期结束后，沉淀3个小时，倾倒75％的上清液，分三次投加硝酸盐溶液，每次投加后使发酵罐的硝酸盐终浓度为50mgN/L。
每4h后测定硝酸盐浓度，本实验投加3次共去除硝酸盐371.2mgN，去除率为99％。
经过合成实验表明最后PHA含量占菌体干重的44％。
对比例1
本对比例提供一种生产聚羟基脂肪酸酯耦合反硝化脱氮的方法，其与实施例1的区别在于，步骤(1)厌氧发酵阶段设置参数为温度为35℃，不人为干预pH，搅拌150r/min，设置进料负荷为11gVS/(L·d)，污泥龄为5d，发酵所得上清液中VFA与非VFA的比例为(0.43～0.67):1。
将驯化得到的菌群进行PHA合成测试，结果所得PHA含量占菌体干重的20％。
对比例2
本对比例提供一种生产聚羟基脂肪酸酯耦合反硝化脱氮的方法，其与实施例1的区别在于，步骤(5)中采用磷酸盐浓度约为250mg/L的发酵上清液作为发酵底物(即不进行除磷处理)。
结果所得PHA含量占菌体干重的30％。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种生产聚羟基脂肪酸酯耦合反硝化脱氮的方法，其特征在于，利用驯化后的活性污泥为菌种进行发酵生产聚羟基脂肪酸酯；
所述驯化过程包括：以活性污泥为菌源，以热水解污泥经厌氧发酵、除磷后的上清液为碳源，采用“好氧低磷丰盛期-缺氧饥饿期”驯化模式，并在缺氧饥饿期引入含硝酸盐的废水实现反硝化脱氮；
所述上清液中总挥发性脂肪酸与非挥发性脂肪酸的含量比例为1/1～2/1；
所述好氧低磷丰盛期-缺氧饥饿期驯化模式具体包括：在好氧低磷丰盛期，根据所述上清液中总挥发性脂肪酸的浓度进行适当曝气，好氧低磷丰盛期结束后，沉淀3-5h，去除反应器内的上部澄清液，补加等体积的含硝酸盐的废水，停止曝气，进入缺氧饥饿期，直至菌群的内源聚羟基脂肪酸酯消耗殆尽。
2.根据权利要求1所述的生产聚羟基脂肪酸酯耦合反硝化脱氮的方法，其特征在于，所述热水解污泥经厌氧发酵的条件为：控制发酵温度为25～35℃，全程pH为6.5～7。
3.根据权利要求2所述的生产聚羟基脂肪酸酯耦合反硝化脱氮的方法，其特征在于，所述热水解污泥经厌氧发酵过程中，控制进料负荷为9～12gVS/(L·d)，污泥龄为3～6d，搅拌速度为100～300rpm。
4.根据权利要求1所述的生产聚羟基脂肪酸酯耦合反硝化脱氮的方法，其特征在于，在所述好氧低磷丰盛期，控制初始总挥发性脂肪酸的浓度为3.5～4g/L，曝气速率为1.5～3L/min，曝气持续8～11h。
5.根据权利要求1～4任一项所述的生产聚羟基脂肪酸酯耦合反硝化脱氮的方法，其特征在于，所述含硝酸盐的废水中硝酸盐的浓度为100-150mg/L。
6.根据权利要求5所述的生产聚羟基脂肪酸酯耦合反硝化脱氮的方法，其特征在于，将所述含硝酸盐的废水分多次投加。
7.根据权利要求6所述的生产聚羟基脂肪酸酯耦合反硝化脱氮的方法，其特征在于，将所述含硝酸盐的废水至少分三次投加。
8.根据权利要求1～4任一项所述的生产聚羟基脂肪酸酯耦合反硝化脱氮的方法，其特征在于，在利用驯化后的活性污泥为菌种进行发酵过程中，以热水解污泥经厌氧发酵后的上清液为发酵培养基。
9.根据权利要求8所述的生产聚羟基脂肪酸酯耦合反硝化脱氮的方法，其特征在于，预先将所述发酵培养基处理至磷浓度不超过0.05mg/L再使用。
10.根据权利要求9所述的生产聚羟基脂肪酸酯耦合反硝化脱氮的方法，其特征在于，采用多次投加的方式投加所述发酵培养基，进行聚羟基脂肪酸酯的批次合成。
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