CN112813112B - 一种以产pha为导向的非甲烷化工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种以产PHA为导向的非甲烷化工艺，属于厌氧工艺资源回收领域。它包括SBR反应器、污泥收集器和带有总磷传感器的收集器，所述SBR反应器一侧的底部连通、进水管，所述SBR反应器一侧上还连通有二氧化碳进气口，所述SBR反应器的内部还设有曝气盘，所述SBR反应器的内部设有搅拌组件，用于对SBR反应器内部的物质进行搅拌作业，所述SBR反应器的另一侧底部连通有排泥管，所述SBR反应器的另一侧上还连通有出水管，所述排泥管另一端通过导管伸入污泥收集器的底部。本发明为缓解塑料带来的环境压力，实现资源的可持续发展，该发明提供的以PHA为导向的非甲烷工艺可以降低PHA生产成本，提高厌氧过程中PHA的产率。
Description
技术领域
本发明涉及一种以产PHA为导向的非甲烷化工艺，属于厌氧工艺资源回收领域。
背景技术
塑料在环境中的不断增加是当今人类面临的最相关的环境问题之一，为了实现可持续发展，我们需要发展新的可再生能源。生物塑料的出现缓解了塑料带来的环境压力，生物塑料是从有机可再生资源中获得的生物基聚合物，对环境的影响很小，因为它们中的大多数是完全可生物降解的。其中，聚羟基链烷酸酯（PHA）是一种生物基可生物降解聚合物，它们可以通过细菌发酵从各种复杂的有机基质中生产。因此在这种情况下，废水处理过程中的资源回收可以在塑料的循环经济中发挥作用。
目前PHA的产率低，生产成本高，主要的生产成本来自于PHA的生产和提取技术。现在的PHA合成技术大多都是在碳源培养基接种纯菌种，但为了节省成本有些技术也会将碳源换成废水碳源。专利CN111394398A“以高盐糖蜜为原料进行发酵制备PHA的方法”以高盐糖蜜为碳源，接种纯种PHA合成菌，该工艺以工业生产的废弃物为原料，节省了生产成本。但是接种的纯菌种，培养成本过高且由于接种物在培养过程中以纯碳源（纯葡萄糖或纯甘油）为原料，故对污水中污染物的耐受性不高。
PHA提取技术主要有溶剂萃取、超临界流体萃取、机械破坏等，溶液萃取虽可以有效提取PHA，但是某些萃取剂会影响PHA颗粒的自然形态，且价格昂贵，对人类健康或环境有毒性。超临界流体具有气体的扩散特性和液体的溶剂化能力，因此，他们可以扩散通过固体并溶解材料。但仍需萃取剂来回收聚合物，且还未被广泛应用。机械破坏是利用物理方法破坏微生物细胞膜，使细胞内PHA释放出来，但仍需对微生物细胞进行预处理。
因此，寻求一种成本低、能高效合成PHA的方法是现在值得研究的一个问题。
发明内容
本发明针对上述背景技术所提及的技术问题，而采用以下技术方案来实现，具体为缓解塑料带来的环境压力，实现资源的可持续发展，该发明提供的以PHA为导向的非甲烷工艺可以降低PHA生产成本，提高厌氧过程中PHA的产率。
一种以产PHA为导向的非甲烷化工艺，包括SBR反应器、污泥收集器和带有总磷传感器的收集器，所述SBR反应器一侧的底部连通、进水管，所述SBR反应器一侧上还连通有二氧化碳进气口，所述SBR反应器的内部还设有曝气盘，所述SBR反应器的内部设有搅拌组件，用于对SBR反应器内部的物质进行搅拌作业，所述SBR反应器的另一侧底部连通有排泥管，所述SBR反应器的另一侧上还连通有出水管，所述排泥管另一端通过导管伸入污泥收集器的底部，所述污泥收集器上连通有壹号加药管，所述污泥收集器上还通过导管连通有上清液抽水泵，所述上清液抽水泵输出端通过导管与带有总磷传感器的收集器相连通，所述带有总磷传感器的收集器一侧上分别连通有贰号加药管和进气口。
作为优选实例，所述进水管和二氧化碳进气口均位于SBR反应器的同一侧，所述排泥管和出水管位于SBR反应器的同一侧。
作为优选实例，所述搅拌组件包括电机和搅拌桨，所述电机固定端固定安装在SBR反应器的顶部，所述搅拌桨的顶部与电机输出端相固定，所述搅拌桨底端伸入SBR反应器内部并固定连接有搅拌叶片。
作为优选实例，SBR反应器上还设有在线COD传感器。
一种以产PHA为导向的非甲烷化工艺方法，包括以下步骤：
S1、微生物的富集；
S2、PHA的合成；
S3、PHA的提取。
作为优选实例，在S1中，采用剩余污泥厌氧发酵的方式来富集产PHA微生物，通过调节pH及温度等反应条件将微生物反应控制在产酸阶段；活性污泥菌群的驯化采用充盈-饥饿的模式，在微好氧-好氧的条件下进行富集。
作为优选实例，剩余污泥以污水作为碳源，在富集微生物时，首先短时间内通入一定碳源，剩余污泥中微生物在厌氧阶段对碳源进行摄取，产PHA的微生物在体内储存PHA；随后，停止碳源的投加，并在较长一段时间内通入空气；此时体系碳源不足以供菌群生长代谢，非PHA 合成菌会因为没有碳源而被淘汰，而 PHA 合成菌可以利用储存的 PHA 继续生长；利用充盈-饥饿的模式自然淘汰非PHA 合成菌，增强了PHA 合成菌的生存能力。
需要说明的是：由于剩余污泥中的微生物本身就是污水处理的产物，对污水中污染物的耐受能力非常好，因此利用剩余污泥来富集产PHA菌种，一方面可以节省合成PHA的成本，另一方面所富集的微生物直接用于污水中有机物的去除时，可以有很好的有机物去除效果。
作为优选实例，在S2中，将厌氧过程控制在产酸阶段，反应温度控制在55℃，pH控制在9.5-10.5，该系统利用水中有机物产生有机酸和氢气，其产生的有机酸是产生PHA的主要原料；在SBR反应器中，微生物先在厌氧条件下以有机酸为原料产生PHA，由于部分PHA合成菌在好氧条件下可以利用氢气作为能源，二氧化碳作为碳源合成PHA；因此，在反应过程中可采用间歇曝气的方式进行PHA的合成；SBR反应器设置有在线COD传感器，连接PCL系统，PCL系统控制曝气装置；微生物先在厌氧的条件下进行有机酸的合成PHA，当系统中COD的含量小于50 mg/L时，打开曝气装置，在微曝气状态下以氢气，二氧化碳为原料进行PHA的合成。
需要说明的是；由于聚磷菌 (PAOs)是PHA典型的合成优势菌种，故可将除磷与PHA的合成结合起来对污水进行处理。在厌氧-好氧状态下磷被固定在污泥中，也能提高磷的去除率。
作为优选实例，在S3中，使用可切换阴离子表面活性剂（SAS），SAS为仲烷基磺酸钠，可在特定过程中需要大剂量时轻松避免不必要的表面活性剂消耗；表面活性剂进入脂质膜，增加细胞膜的体积直至破裂；然后形成表面活性剂和膜磷脂的胶束，并释放PHA颗粒；表面活性剂还可以溶解来自非聚合物细胞质（NPCM）的蛋白质和其他分子；向经SAS处理的混合液上清液中投加铁盐，与污泥破碎释放出来的磷形成蓝铁矿沉淀，回收蓝铁矿。
需要说明的是：SAS代表一类特殊的表面活性剂，可通过pH改变将其从不溶于水的中性形式可逆地转化为阴离子水溶性化合物。pH值变化可以通过多种方式实现，但是添加和除去二氧化碳是最简单、最有效的方法，即可以将它们直接可逆地转化为反应介质中溶解度最低的形式，从而可以将其除去，从液相中回收并回收再利用。因此，在回收蓝铁矿之后向上清液中通入二氧化碳（来自于高级氧化或深度处理产生），改变SAS的水溶性，回收不溶性的SAS，可循环利用于PHA的提取。
本发明的有益效果是：
（1）采用剩余污泥富集驯化微生物，进行PHA的合成，可有效提高PHA的积累率；
（2）以污水作为碳源，采用充盈-饥饿的模式富集产PHA微生物，自然淘汰非产PHA微生物，有利于提高产PHA微生物的适应能力；
（3）将PHA的产生于除磷结合，提高系统的除磷效率，且可回收蓝铁矿。
（4）利用污水中的有机物以及反应产生的氢气、二氧化碳作为基质，无需外加碳源，降低了PHA的合成成本；
（4）采用微曝气-厌氧方式进行反应，使得其中某些微生物可利用氢气和污水处理过程中产生的二氧化碳作为底物进行PHA的合成，减少二氧化碳的排放；
（6）采用表面活性剂破坏细胞基质，不仅可以达到很好地处理效果，同时SAS不会产生后续污染，是一种绿色的可转化物；
（7）向回收PHA及蓝铁矿后的上清液中通入二氧化碳可回收SAS，使得SAS能够循坏使用。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图中：1-二氧化碳进气口，2-进水管，3-搅拌桨，4-出水管，5-排泥管，6-壹号加药管，7-上清液抽水泵，8-曝气盘，9-贰号加药管，10-进气口，11-在线COD传感器、12-污泥收集器、13-带有总磷传感器的收集器、SBR反应器14。
具体实施方式
为了对本发明的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
实施例
取污水处理厂剩余污泥进行微生物的富集培养，在发明中，通过控制反应条件（pH为10，温度为55摄氏度）将反应控制在产酸产氢阶段；采用厌氧-好氧工艺，微生物在厌氧阶段通入碳源，对碳源进行摄取在体内储存PHA，随后的好氧阶段通入空气时，此时体系碳源不足以供菌群生长代谢，而 PHA 合成菌可以利用储存的 PHA 继续生长；
富集驯化后的污泥投入厌氧反应器中，进入产氢产乙酸阶段，其中氢气和乙酸都可作为合成PHA的基质；在序批式反应器中，微生物先在厌氧条件下以有机酸为原料产生PHA，再在微曝气的条件下利用产生的氢气以及高级氧化过程产生的二氧化碳作为原料产生PHA（氢气作为能源，二氧化碳作为碳源）；
积累在污泥细胞内的PHA需要利用工艺将细胞膜溶解提取细胞内部PHA，使用可切换阴离子表面活性剂（SAS）对表面活性剂进入脂质膜，增加细胞膜的体积直至破裂；然后形成表面活性剂和膜磷脂的胶束，并释放PHA颗粒；表面活性剂还可以溶解来自非聚合物细胞质（NPCM）的蛋白质和其他分子；
污水从进水管2进入SBR反应器14，反应器中设置有在线COD传感器11，连接PCL系统，PCL系统控制曝气装置；当系统中COD的含量小于50 mg/L时，打开曝气装置，在微曝气状态下以氢气，二氧化碳为原料进行PHA的合成；由出水管4出水；在曝气阶段向SBR反应器14中通入二氧化碳，SBR反应器14的污泥龄为5天，每十天向剩余污泥收集器12中加入适量SAS；污泥经破壁后，PHA沉淀到下部，上清液经泵7抽至带有总磷传感器的收集器13，根据总磷含量，可计算出添加铁盐的量，并由PCL系统向带有总磷传感器的收集器13加入适当铁盐，得到蓝铁矿沉淀；最后向该通入二氧化碳使得SAS不溶于水，回收SAS进行循环使用，PHA沉淀物也可进行回收利用。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。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，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (5)
1.一种以产PHA为导向的非甲烷化装置，包括SBR反应器（14）、污泥收集器（12）和带有总磷传感器的收集器（13），其特征在于：所述SBR反应器（14）一侧的底部连通、进水管（2），所述SBR反应器（14）一侧上还连通有二氧化碳进气口（1），所述SBR反应器（14）的内部还设有曝气盘（8），所述SBR反应器（14）的内部设有搅拌组件，用于对SBR反应器（14）内部的物质进行搅拌作业，所述SBR反应器（14）的另一侧底部连通有排泥管（5），所述SBR反应器（14）的另一侧上还连通有出水管（4），所述排泥管（5）另一端通过导管伸入污泥收集器（12）的底部，所述污泥收集器（12）上连通有壹号加药管（6），所述污泥收集器（12）上还通过导管连通有上清液抽水泵（7），所述上清液抽水泵（7）输出端通过导管与带有总磷传感器的收集器（13）相连通，所述带有总磷传感器的收集器（13）一侧上分别连通有贰号加药管（9）和进气口（10）。
2.根据权利要求1所述的一种以产PHA为导向的非甲烷化装置，其特征在于：所述进水管（2）和二氧化碳进气口（1）均位于SBR反应器（14）的同一侧，所述排泥管（5）和出水管（4）位于SBR反应器（14）的同一侧。
3.根据权利要求1所述的一种以产PHA为导向的非甲烷化装置，其特征在于：所述搅拌组件包括电机和搅拌桨（3），所述电机固定端固定安装在SBR反应器的顶部，所述搅拌桨（3）的顶部与电机输出端相固定，所述搅拌桨（3）底端伸入SBR反应器内部并固定连接有搅拌叶片。
4.根据权利要求1所述的一种以产PHA为导向的非甲烷化装置，其特征在于：SBR反应器（14）上还设有在线COD传感器（11）。
5.一种以产PHA为导向的非甲烷化方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、微生物的富集；
采用剩余污泥厌氧发酵的方式来富集产PHA微生物，通过调节pH及温度等反应条件将微生物反应控制在产酸阶段；活性污泥菌群的驯化采用充盈-饥饿的模式，在微好氧-好氧的条件下进行富集；
剩余污泥以污水作为碳源，在富集微生物时，首先短时间内通入一定碳源，剩余污泥中微生物在厌氧阶段对碳源进行摄取，产PHA的微生物在体内储存PHA；随后，停止碳源的投加，并在一段时间内通入空气；此时体系碳源不足以供菌群生长代谢，非PHA 合成菌会因为没有碳源而被淘汰，而 PHA 合成菌可以利用储存的 PHA 继续生长；利用充盈-饥饿的模式自然淘汰非PHA 合成菌，增强了PHA 合成菌的生存能力；
S2、PHA的合成：
将厌氧过程控制在产酸阶段，反应温度控制在55℃，pH控制在9.5-10.5，该系统利用水中有机物产生有机酸和氢气，其产生的有机酸是产生PHA的主要原料；在SBR反应器（14）中，微生物先在厌氧条件下以有机酸为原料产生PHA，由于部分PHA合成菌在好氧条件下可以利用氢气作为能源，二氧化碳作为碳源合成PHA；因此，在反应过程中可采用间歇曝气的方式进行PHA的合成；SBR反应器（14）设置有在线COD传感器（11），连接PCL系统，PCL系统控制曝气装置；微生物先在厌氧的条件下进行有机酸的合成PHA，当系统中COD的含量小于50 mg/L时，打开曝气装置，在微曝气状态下以氢气，二氧化碳为原料进行PHA的合成；
S3、PHA的提取：
使用可切换阴离子表面活性剂SAS，SAS为仲烷基磺酸钠，可在特定过程中需要大剂量时轻松避免不必要的表面活性剂消耗；表面活性剂进入脂质膜，增加细胞膜的体积直至破裂；然后形成表面活性剂和膜磷脂的胶束，并释放PHA颗粒；表面活性剂还可以溶解来自非聚合物细胞质NPCM的蛋白质和其他分子；向经SAS处理的混合液上清液中投加铁盐，与污泥破碎释放出来的磷形成蓝铁矿沉淀，回收蓝铁矿。
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Denomination of invention: A Non Methanation Process Guided by PHA Production Effective date of registration: 20231208 Granted publication date: 20221115 Pledgee: Shanghai Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Huangpu sub branch Pledgor: Shanghai bizhou environmental protection energy technology Co.,Ltd. Registration number: Y2023310000818 |
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