CN115322342A - 序贯式同步回收活性污泥中聚羟基脂肪酸酯和海藻酸盐的方法 - Google Patents

序贯式同步回收活性污泥中聚羟基脂肪酸酯和海藻酸盐的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种序贯式同步回收活性污泥中聚羟基脂肪酸酯和海藻酸盐的方法，所述方法以城镇污水处理厂的剩余污泥或者混合菌群合成PHA工艺的最大积累试验后排泥为对象，同步提取污泥中的胞外聚合物——海藻酸盐和胞内聚合物PHA。本发明以回收活性污泥中的生物聚合物为目的，采用三步序贯式提取方法，同步回收活性污泥中的结构性EPS和胞内的PHA，在经过pH调节和初步纯化后，获得海藻酸盐和PHA。将本方法应用于实验室规模的一活性污泥合成PHA系统排泥，获得海藻酸盐回收率10%，PHA回收率和纯度分别为80%和98%。

Description

序贯式同步回收活性污泥中聚羟基脂肪酸酯和海藻酸盐的 方法
技术领域
本发明属于环境废弃资源回收技术领域，涉及一种从活性污泥中同步提取海藻酸盐（Alginate，AL）和聚羟基脂肪酸酯（Polyhydroxyalkanoate，PHA）的方法。
背景技术
污水的活性污泥处理工艺发展至今已有百年历史，高效和稳定的处理能力使得活性污泥工艺至今仍是全球普遍使用的污水处理首选工艺。但是该工艺存在剩余污泥产量大、无害化处理处置成本高等问题。2020年我国剩余污泥产量突破1162万吨，该产量随着污水处理量的逐年增加将呈现持续增加趋势。另一方面，剩余污泥中富含有机物质，活性污泥特殊的菌胶团结构使得剩余污泥中还富含胞外聚合物EPS，某些微生物还会在胞内存储生物聚合物，如聚羟基脂肪酸酯PHA。从剩余污泥中回收这些胞外和胞内的聚合物，不仅能实现剩余污泥的无害化处理，还可以“变废为宝”，将剩余污泥变成资源原材料。胞内聚合物PHA是一种与石油基塑料材料性能相似的可生物降解物质，可以用于生产可生物降解塑料代替石油基塑料使用，缓解塑料污染环境问题。因此，从污泥中回收PHA是一个极具前景的剩余污泥资源化技术。
关于微生物中PHA的提取技术，主要基于纯菌发酵合成PHA工艺中通过化学有机试剂三氯甲烷萃取方法的提取技术。但是该萃取技术使用到的三氯甲烷是一种有毒的有机试剂，对环境和人体健康都有潜在危害。此外，由于活性污泥以混合菌群为主，菌群外有大量胞外聚合物，菌群污泥的物理性能与纯菌环境差异较大，制约了有机试剂萃取传质效能和提取效率。而胞外聚合物EPS也是一种剩余污泥中可回收的资源物质。因此，亟需开发一种针对剩余污泥菌群结构的混合菌群胞内PHA提取技术，实现对活性污泥中多种生物聚合的同步回收。
发明内容
本发明的目的是提供一种序贯式同步回收活性污泥中聚羟基脂肪酸酯和海藻酸盐的方法，该方法可以为剩余污泥的资源化处理处置提供一种新的技术。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种序贯式回收活性污泥中聚羟基脂肪酸酯的方法，包括如下步骤：
步骤1：碳酸钠水溶液热处理
步骤1.1：将干污泥加入Na2CO3溶液中进行热处理，热处理参数：80~85℃温度下加热搅拌30~60min；
步骤1.2：干污泥和Na2CO3的混合液经过离心，获得上清液和固体部分；
步骤2：回收PHA
步骤2.1：弃掉上清液，向固体部分中加入表面活性剂，匀浆后将混合液进行热处理，热处理参数：80~85℃温度下混合搅拌4~12 h；
步骤2.2：反应完后，将混合液进行离心，收集离心后的上部混合液，弃掉固体部分；
步骤2.3：将步骤2.2收集的混合液再一次离心，离心后收集固体部分，弃掉上清液；
步骤2.4：将步骤2.3收集的固体部分干燥，获得PHA粗提物。
一种序贯式同步回收活性污泥中聚羟基脂肪酸酯和海藻酸盐的方法，包括如下步骤：
步骤1：碳酸钠水溶液热处理
步骤1.1：活性污泥经过离心弃掉上清液，获得湿污泥；
步骤1.2：将湿污泥加入Na2CO3溶液中进行热处理，热处理参数：80~85℃温度下加热搅拌30~60min；
步骤1.3：湿污泥和Na2CO3的混合液经过离心，获得上清液和固体部分；
步骤2：提取海藻酸盐
步骤2.1：向步骤1.3获得的上清液中加入pH调节试剂，将pH调整到2.0~2.5；
步骤2.2：将调节pH到2.0~2.5的上清液再一次离心，离心后弃掉上清液，保留固体海藻酸盐，即为从活性污泥中提取的胞外聚合物；
步骤3：回收PHA
步骤3.1：向步骤1.3离心获得的固体部分中加入表面活性剂，匀浆后将混合液进行热处理，热处理参数：80~85℃温度下混合搅拌4~12 h；
步骤3.2：反应完后，将混合液进行离心，收集离心后的上部混合液，弃掉固体部分；
步骤3.3：将步骤3.2收集的混合液再一次离心，离心后收集固体部分，弃掉上清液；
步骤3.4：将步骤3.3收集的固体部分干燥，获得PHA粗提物。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
1、本发明的碳酸钠水溶液结合表面活性剂热处理提取方法，可以避免有毒萃取试剂的使用，减少对环境造成二次污染，同时降低提取工艺的成本。
2、本发明以回收活性污泥中的生物聚合物为目的，采用三步序贯式提取方法，同步回收活性污泥中的结构性EPS和胞内的PHA，在经过pH调节和初步纯化后，获得海藻酸盐和PHA。将本方法应用于实验室规模的一活性污泥合成PHA系统排泥，获得海藻酸盐回收率10 %，PHA回收率和纯度分别为80 %和98 %。
附图说明
图1为同步提取活性污泥中海藻酸盐和PHA的方法框图；
图2为同步提取活性污泥中海藻酸盐和PHA的方法流程图；
图3为测定PHA粗提物中PHA含量的气相色谱图；
图4为提取的结构性EPS海藻酸钠的傅里叶红外图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明提供了一种序贯式同步回收活性污泥中聚羟基脂肪酸酯和海藻酸盐的方法，以城镇污水处理厂的剩余污泥或者混合菌群合成PHA工艺的最大积累试验后排泥为对象，同步提取污泥中的胞外聚合物——海藻酸盐和胞内聚合物PHA。如图1和图2所示，所述方法包括如下步骤：
步骤1：碳酸钠水溶液热处理
步骤1.1：活性污泥经过离心弃掉上清液，获得湿污泥；
步骤1.2：将湿污泥加入质量分数为0.5%的Na2CO3溶液中进行热处理，热处理参数：80~85℃温度下加热搅拌30~60min；
步骤1.3：湿污泥和Na2CO3的混合液经过离心，获得上清液和固体部分，离心参数为：3500~4500xg，4℃离心10~30min；
步骤2：提取海藻酸盐
步骤2.1：向步骤1.3获得的上清液中加入pH调节试剂，将pH调整到2.0~2.5；
步骤2.2：将调节pH到2.0~2.5的上清液再一次离心，离心后弃掉上清液，保留固体海藻酸盐，即为从活性污泥中提取的胞外聚合物，离心参数为：3500~4500xg，4℃离心10~30min；
步骤3：回收PHA
步骤3.1：向步骤1.3离心获得的固体部分中加入表面活性剂，匀浆后将混合液进行热处理，热处理参数：80~85℃温度下混合搅拌4~12 h；
步骤3.2：反应完后，将混合液进行离心，收集离心后的上部混合液，弃掉固体部分，离心参数为：100~200xg，4℃离心10~30min；
步骤3.3：将步骤3.2收集的混合液再一次离心，离心后收集固体部分，弃掉上清液，离心参数为：3500~4500xg，4℃离心10~30min；
步骤3.4：将步骤3.3收集的固体部分干燥，获得PHA粗提物。
本发明中，用于提取胞外聚合物和PHA的活性污泥可以是污水处理厂的剩余污泥，也可以是混合菌群合成PHA工艺中最大PHA积累期的排泥。
本发明中，提取的胞外聚合物EPS为结构性EPS，化学结构性质与海藻酸盐相似。
本发明中，提取的结构性EPS为凝胶状固体性质，通过调节pH达到8~9之间时，可以获得溶解状态的钠盐，即海藻酸盐溶液，经过干燥可以获得海藻酸钠粉末。
本发明中，表面活性剂为鼠李糖脂、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、月桂酸钠等中的一种。
本发明中，湿污泥与0.5%Na2CO3溶液的比例为10~20mL Na2CO3/ g 湿污泥。
本发明中，表面活性剂的添加比例为0.1~0.5 g表面活性剂/ g污泥干重。
本发明中，在提取PHA时采用两步梯度离心的方法，第一步离心速度为100~200xg，第二步离心速度为3500~4500xg，其余参数都相同，即4℃温度下离心10~30min。
本发明中，粗提取的PHA的干燥方法可以是在30~40℃下烘干，也可以是通过冷冻干燥的方法冻干成PHA粉末，干燥时间为24~36h。
本发明中，加入表面活性剂后，按照2~8mL/ g湿污泥的比例加入自来水或蒸馏水，将固体状态变成混合液状态，而后再进行热处理。
本发明中，也可以使用干污泥直接提取，但省略海藻酸钠提取部分，即步骤2省略，其余与湿污泥提取步骤相同，碳酸钠溶液浓度、添加剂量、离心参数、表面活性剂剂量等与湿污泥提取的相同。其中：用于提取PHA的干污泥可以是经过压滤脱水后的泥饼、活性污泥或最大PHA积累期排泥经过真空干燥后的干污泥、通过温室蒸发干燥后的多种污水脱水方法处理的干污泥等中的一种；干污泥与0.5%Na2CO3溶液的比例为10~20mL Na2CO3/ g 干污泥。
本发明中，PHA粗提物可以再使用乙醇或者丙酮进行洗涤纯化，步骤为：将粗提物与乙醇或丙酮混合后，添加的剂量为10~30 mL/ g湿污泥，室温下密封震荡4~8h，随后将混合液离心，离心参数为转速3500~4500xg，时间10~30min，离心后保留固体部分，干燥后即为洗涤纯化的PHA物质。
实施例1：
采用本发明公开的上述同步提取方法对实验室规模的一个混合菌群合成PHA工艺的排泥进行EPS和PHA同步提取。取湿污泥3g，加入50 mL质量分数为0.5%的Na2CO3溶液，80℃热处理35min，将混合液在4℃下4000 xg离心20min后按照下述步骤提取上清液中的结构性EPS海藻酸盐和固相中的胞内PHA：上清液加入HCl调节pH到2.2左右，再在4℃下4000 xg离心20min，弃掉上清液获得凝胶状的海藻酸盐。第一步离心获得的固体物质，按照每克干污泥加入0.5克表面活性剂的比例，加入表面活性剂鼠李糖脂，加入50mL自来水配置成混合液体系。将混合液继续在80℃下混合搅拌反应6 h。反应后的混合液，首先在4℃下100xg速度下离心20min，弃掉固体物质，将保留的混合液继续在4℃下4000 xg离心20min，弃掉上清液获得固体物质，固体物质即为粗提取的PHA。粗提取后的PHA再经过酒精或者丙酮纯化，用于下游加工，步骤为：将粗提物与乙醇或丙酮混合后，添加的剂量为20 mL/ g湿污泥，室温下密封震荡6h，随后将混合液离心，离心参数为转速4000xg，时间10min，离心后保留固体部分，干燥后即为洗涤纯化的PHA物质。将粗提物放入到冷冻干燥机中冷冻干燥48h，获得海藻酸钠0.74 g、PHA粗提物2.62g。
检测PHA粗提物中的PHA含量，测试结果如图3所示，阴影部分为PHB和PHV，两者总和为PHA，换算成质量分数为98.1%。经过计算，采用本发明公开的方法提取污泥中的海藻酸钠的回收率为24.6%，PHA的回收率为87.3%，提取的PHA的纯度为98.1%。
采用本发明公开的提取方法，从混菌合成PHA工艺的污泥中提取出来的PHA制作成PHA薄膜后，与使用常规的三氯甲烷萃取方法提取的PHA制作的PHA薄膜对比，主要比较分子量等材料性质。如表1所示，两种提取方法获得的PHA材料性质相差不大，表明本发明公开的提取污泥中PHA的方法与三氯甲烷方法相同，不会损害PHA的化学性质。对提取的结构性EPS海藻酸钠粉末进行傅里叶红外表征，如图4所示，图谱中的特征峰均与文献和市售的海藻酸钠特征峰相对应，表明本发明公开的同步提取方法中提取出了结构性EPS海藻酸钠。
表1 不同提取方法提取污泥中的PHA的化学性能对比
Figure 120068DEST_PATH_IMAGE002
实施例2：
采用本发明公开的上述PHA提取方法对冷冻干燥后的一实验室规模的混合菌群合成PHA工艺排泥进行PHA提取。称重干污泥1g，加入18 mL质量分数为0.5%的Na2CO3溶液，80℃热处理35min，将混合液在4℃下4000 xg离心20min后弃掉上清液，收集固体部分加入0.5克鼠李糖脂，加入18mL自来水配置成混合液体系。将混合液继续在80℃下混合搅拌反应5 h。反应后的混合液，首先在4℃下100xg速度下离心20min，弃掉固体物质，将保留的混合液继续在4℃下4000 xg离心20min，弃掉上清液获得固体物质，固体物质即为粗提取的PHA。粗提取后的PHA再经过酒精或者丙酮纯化，将粗提物与10mL乙醇混合后，室温下密封震荡6h，随后将混合液离心，离心参数为转速4000xg，时间10min，离心后保留固体部分，40℃干燥后即为洗涤纯化的PHA物质。最终称取获得的PHA粗提物为0.88g。经过计算PHA的回收率为88%，提取的PHA的纯度为98.5%。

Claims (10)

1.一种序贯式回收活性污泥中聚羟基脂肪酸酯的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
步骤1：碳酸钠水溶液热处理
步骤1.1：将干污泥加入Na2CO3溶液中进行热处理，热处理参数：80~85℃温度下加热搅拌30~60min；
步骤1.2：干污泥和Na2CO3的混合液经过离心，获得上清液和固体部分；
步骤2：回收PHA
步骤2.1：弃掉上清液，向固体部分中加入表面活性剂，匀浆后将混合液进行热处理，热处理参数：80~85℃温度下混合搅拌4~12 h；
步骤2.2：反应完后，将混合液进行离心，收集离心后的上部混合液，弃掉固体部分；
步骤2.3：将步骤2.2收集的混合液再一次离心，离心后收集固体部分，弃掉上清液；
步骤2.4：将步骤2.3收集的固体部分干燥，获得PHA粗提物。
2.根据权利要求1所述的序贯式回收活性污泥中聚羟基脂肪酸酯的方法，其特征在于所述干污泥是经过压滤脱水后的泥饼、活性污泥或最大PHA积累期排泥经过真空干燥后的干污泥、通过温室蒸发干燥后的多种污水脱水方法处理的干污泥中的一种；干污泥与Na2CO3溶液的比例为10~20mL Na2CO3/ g干污泥。
3.根据权利要求1所述的序贯式回收活性污泥中聚羟基脂肪酸酯的方法，其特征在于所述表面活性剂为鼠李糖脂、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、月桂酸钠中的一种；表面活性剂的添加比例为0.1~0.5 g表面活性剂/ g污泥干重；加入表面活性剂后，按照2~8mL/ g湿污泥的比例加入自来水或蒸馏水，将固体状态变成混合液状态，而后再进行热处理。
4.根据权利要求1所述的序贯式回收活性污泥中聚羟基脂肪酸酯的方法，其特征在于所述步骤1.2的离心参数为：3500~4500xg，4℃离心10~30min；步骤2.2的离心参数为：100~200xg，4℃离心10~30min；步骤2.3的离心参数为：3500~4500xg，4℃离心10~30min。
5.根据权利要求1所述的序贯式回收活性污泥中聚羟基脂肪酸酯的方法，其特征在于所述PHA粗提物使用乙醇或者丙酮进行洗涤纯化，步骤为：将粗提物与乙醇或丙酮混合后，添加的剂量为10~30 mL/ g湿污泥，室温下密封震荡4~8h，随后将混合液离心，离心参数为转速3500~4500xg，时间10~30min，离心后保留固体部分，干燥后即为洗涤纯化的PHA物质。
6.一种序贯式同步回收活性污泥中聚羟基脂肪酸酯和海藻酸盐的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
步骤1：碳酸钠水溶液热处理
步骤1.1：活性污泥经过离心弃掉上清液，获得湿污泥；
步骤1.2：将湿污泥加入Na2CO3溶液中进行热处理，热处理参数：80~85℃温度下加热搅拌30~60min；
步骤1.3：湿污泥和Na2CO3的混合液经过离心，获得上清液和固体部分；
步骤2：提取海藻酸盐
步骤2.1：向步骤1.3获得的上清液中加入pH调节试剂，将pH调整到2.0~2.5；
步骤2.2：将调节pH到2.0~2.5的上清液再一次离心，离心后弃掉上清液，保留固体海藻酸盐，即为从活性污泥中提取的胞外聚合物；
步骤3：回收PHA
步骤3.1：向步骤1.3离心获得的固体部分中加入表面活性剂，匀浆后将混合液进行热处理，热处理参数：80~85℃温度下混合搅拌4~12 h；
步骤3.2：反应完后，将混合液进行离心，收集离心后的上部混合液，弃掉固体部分；
步骤3.3：将步骤3.2收集的混合液再一次离心，离心后收集固体部分，弃掉上清液；
步骤3.4：将步骤3.3收集的固体部分干燥，获得PHA粗提物。
7.根据权利要求6所述的序贯式同步回收活性污泥中聚羟基脂肪酸酯和海藻酸盐的方法，其特征在于所述活性污泥是污水处理厂的剩余污泥或混合菌群合成PHA工艺中最大PHA积累期的排泥。
8.根据权利要求6所述的序贯式同步回收活性污泥中聚羟基脂肪酸酯和海藻酸盐的方法，其特征在于所述表面活性剂为鼠李糖脂、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、月桂酸钠中的一种；表面活性剂的添加比例为0.1~0.5 g表面活性剂/ g污泥干重；加入表面活性剂后，按照2~8mL/ g湿污泥的比例加入自来水或蒸馏水，将固体状态变成混合液状态，而后再进行热处理。
9.根据权利要求6所述的序贯式同步回收活性污泥中聚羟基脂肪酸酯和海藻酸盐的方法，其特征在于所述步骤1.2的离心参数为：3500~4500xg，4℃离心10~30min；步骤2.2的离心参数为：3500~4500xg，4℃离心10~30min；步骤3.2的离心参数为：100~200xg，4℃离心10~30min；步骤3.3的离心参数为：3500~4500xg，4℃离心10~30min。
10.根据权利要求6所述的序贯式同步回收活性污泥中聚羟基脂肪酸酯和海藻酸盐的方法，其特征在于所述PHA粗提物使用乙醇或者丙酮进行洗涤纯化，步骤为：将粗提物与乙醇或丙酮混合后，添加的剂量为10~30 mL/ g湿污泥，室温下密封震荡4~8h，随后将混合液离心，离心参数为转速3500~4500xg，时间10~30min，离心后保留固体部分，干燥后即为洗涤纯化的PHA物质。
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