CN115807045A

CN115807045A - 一种剩余污泥发酵液中碳源高效转化为pha的工艺方法

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Publication number: CN115807045A
Application number: CN202211567397.3A
Authority: CN
Inventors: 杜莉莉; 蔺洪永; 李海松; 包海花; 王柯丹; 王保生; 谢佳
Original assignee: Zhihe Environmental Protection Technology Co ltd; Zhongyuan Environmental Protection Zhihe Zhengzhou Water Environment Technology Co ltd; Central Plains Environmental Protection Co ltd
Current assignee: Zhihe Environmental Protection Technology Co ltd; Zhongyuan Environmental Protection Zhihe Zhengzhou Water Environment Technology Co ltd; Central Plains Environmental Protection Co ltd
Priority date: 2022-12-07
Filing date: 2022-12-07
Publication date: 2023-03-17

Abstract

本发明涉及污泥资源化利用技术领域，具体涉及一种剩余污泥发酵液中碳源高效转化为PHA的工艺方法。剩余污泥在适宜条件下通过碱性发酵可以提高有机物转化为小分子挥发酸的含量，并释放大量氨氮和无机磷。对含有高氨氮的发酵液进行化学预处理，减少游离氨对合成PHA混菌的毒性抑制，从而提高污泥中碳源的利用率，转换成更多的PHA。同时在预处理过程中可以进行氮磷资源的回收利用，得到高价值附加产品鸟粪石，且不需要额外调节酸碱，在资源回收的同时节省成本。本发明工艺方法减少了废水处理过程中的剩余污泥排放量，同时实现剩余污泥中氮磷营养物质的回收、碳源的高效利用并转化为环境友好型生物材料。

Description

一种剩余污泥发酵液中碳源高效转化为PHA的工艺方法

技术领域

本发明涉及污泥资源化利用技术领域，具体涉及一种剩余污泥发酵液中碳源高效转化为PHA的工艺方法。

背景技术

聚羟基脂肪酸酯(PHA)是一类羟基链烷酸酯的聚合物，可由多种微生物作为碳源和能源的储备物贮存在胞内。PHA具有可完全生物降解、生物相容和光学活性等优良特性，是一种具有广泛应用前景的环境友好型材料。在由不可降解塑料带来的环境问题日益严重的情况下，PHA作为一种传统化学合成塑料的替代品正日益受到广泛的重视。

目前商业生产的PHA主要是利用经筛选的微生物或基因工程菌进行纯种发酵合成，生产成本较高。同时，在过去的研究中，用于PHA合成的碳源主要是乙酸、丙酸、葡萄糖等纯物质。为降低碳源成本，就需要寻找能够合成PHA的更为廉价的碳源。城市污水处理厂产生大量剩余污泥，而剩余污泥的处理与处置费用也较高。因此对剩余污泥进行发酵处理，产生的挥发酸(VFAs)可作为碳源，促进PHA的合成，实现资源化利用。然而剩余污泥中有机物的主要成分之一是蛋白质，蛋白质在水解发酵过程中会释放大量的氨氮(NH⁴⁺-N)，发酵液中高浓度的NH⁴⁺-N对后续合成PHA的微生物产生抑制作用，从而影响PHA的合成效率。

因此，一种能够提高PHA合成效率，降低生产成本的工艺方法则是现有亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种剩余污泥发酵液中碳源高效转化为PHA的工艺方法，以解决现有的PHA合成效率低以及生产成本高的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种剩余污泥发酵液中碳源高效转化为PHA的工艺方法，包括以下步骤：

S1、浓缩后的剩余污泥补入发酵罐中进行发酵；

S2、发酵结束后发酵液转移至预处理装置进行预处理；

S3、对合成PHA反应器中的合成PHA混菌进行驯化、富集；

S4、预处理后的发酵液进入合成PHA混菌驯化后的合成PHA反应器，反应结束后得到PHA。

进一步地，所述的步骤S1中剩余污泥为污水处理厂二沉池回流污泥，剩余污泥浓缩后TSS为10～40g/L。

进一步地，所述的步骤S1中发酵参数为pH值控制在9.5～11，ORP为-250～-450mV，温度为32～37℃，搅拌速度为150～400rpm，发酵时间为2～5d。

进一步地，所述的步骤S2发酵完成后发酵液中NH⁴⁺-N的浓度为130～450mg/L，磷酸盐的浓度为60～200mg/L，VFAs组份中乙酸：丙酸：丁酸：戊酸为6:2:1:1～5:2:2:1。

进一步地，所述的步骤S2中向预处理装置中添加Mg²⁺溶液，Mg²⁺溶液为MgCl₂和MgSO₄的混合溶液，Mg²⁺溶液浓度为80～300mg/L，MgCl₂与MgSO₄的质量比为1:3～3:5。

进一步地，所述的步骤S2中工艺参数为搅拌速度300～600rpm，反应时间30～70min。

进一步地，所述的步骤S3中，在合成PHA反应器中接种污水处理厂好氧池的活性污泥，污泥浓度为6000～8000mg/L，加入4～6g/L酵母浸提物进行曝气活化，合成废水中的COD为3000～5000mg/L，其中乙酸钠：丙酸钠：丁酸钠：戊酸钠为：6:2:1:1～5:2:2:1，以序批方式进行污泥驯化，富集合成PHA混菌。

进一步地，所述的步骤S3中，驯化过程12～15h为一批次，进水为20～30min，曝气时间10～13h，沉淀时间1h，排水30～40min，反应结束时换水比为1/3～1/2，DO浓度为2～5mg/L，反应温度为室温，驯化时间为5～8d。

进一步地，所述的步骤S4中PHA的合成条件为已驯化富集的合成PHA混菌浓度4000～6000mg/L，控制温度为20～25℃，搅拌速度为120～300rpm，DO浓度2～5mg/L，反应时间为2～4h。

进一步地，所述的步骤S4中DO浓度出现突然急剧上升(突跃)时，反应结束。

本发明的有益效果：该工艺首次将氮磷资源回收应用到剩余污泥发酵液合成PHA的装置中，一方面实现剩余污泥中氮磷等资源的回收利用，另一方面加强了剩余污泥中碳源的高效利用合成更多的高附加值产品PHA。与常规工艺相比，降低发酵液中氨氮的浓度，缓解高氨氮对合成PHA混菌的毒性，使合成PHA混菌将更多的有机碳转化为PHA，PHA含量高达500～850mg/gVSS。相比较传统的单一碳源合成PHA，利用剩余污泥中的有机物既可减少合成PHA所需碳源的成本，同时减少剩余污泥的处置费用，实现剩余污泥的资源化利用。此外，该工艺利用碱性发酵一方面提高水解酸化菌活性的同时抑制产甲烷菌对VFAs的消耗，提高污泥中有机物的利用；另一方面相比较酸性发酵，为后续的氮磷资源回收提供合适的pH值，减少整个工艺过程的酸碱调节次数，从而减少投加酸碱药剂的成本。

本工艺在厌氧发酵和合成PHA过程中均配备自控装置，使整个设备操作简单方便，同时可以实时监控反应过程。通过活性污泥法混菌合成PHA，无需严格的无菌条件和无菌生物过程所用的基础设施，与单一菌种培养生产PHA相比，成本大幅降低。

附图说明

图1为本发明的工艺流程示意图。

图中各标记对应的名称：

1、碱性发酵区；11、发酵罐；111、加热垫；112、搅拌装置；113、pH电极；114、ORP电极；115、温度探头；12、NaOH储存器；121、蠕动泵；13、HCl储存器；131、蠕动泵；14、自控装置；15、储备罐；2、发酵液预处理区；21、预处理装置；211、搅拌装置；22、Mg²⁺溶液储存器；221、蠕动泵；23、储备罐；3、PHA合成区；31、合成PHA反应器；311、加热垫；312、搅拌装置；313、DO电极；314、温度探头；32、空气泵；33、自控装置。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

该工艺的操作步骤如下：

取自当地市政污水处理厂二沉池回流污泥进行浓缩后(TSS达到10～40g/L)进入碱性发酵区1开始发酵。浓缩后的剩余污泥以发酵罐体积的3/5～4/5补入发酵罐11中。通过自控装置14将NaOH储存器12和HCl储存器13中的液体泵入发酵反应罐11内调节其pH值，pH电极113进行实时监测，使其控制在9.5～11；通过ORP电极114监测发酵反应罐11，ORP为-250～-450mV；通过发酵反应罐11表面的加热垫111进行加热，温度探头115进行温度监测，使发酵温度维持在32～37℃；发酵过程中通过搅拌装置112进行搅拌，搅拌速度为150～400rpm，发酵时间为2～5d。发酵结束后发酵液转移至储备罐15，此时发酵液中NH⁴⁺-N的浓度为130～450mg/L，磷酸盐的浓度为60～200mg/L，VFAs组份中乙酸：丙酸：丁酸：戊酸为6:2:1:1～5:2:2:1。在预处理区2，含有高浓度氮磷的发酵液进入预处理装置21，同时通过蠕动泵221将Mg²⁺溶液储存器22中浓度为80～300mg/L的Mg²⁺(MgCl₂和MgSO₄)溶液加入到预处理装置21，MgCl₂与MgSO₄的质量比为1:3～3:5。用搅拌装置211进行搅拌使其均匀混合，搅拌速度为300～600rpm。反应时间为30～70分钟，静置沉淀后形成磷酸铵镁进行回收，其上清液转移至对应的储备罐23。预处理后的发酵液在PHA合成区3进入合成PHA反应器31，其补入的预处理发酵液体积为反应器体积的1/2～2/3。反应器内活性污泥经过驯化培养为合成PHA混菌，污泥浓度维持在4000～6000mg/L。反应过程中通过空气泵32进行曝气，通过DO电机313维持DO浓度为2～5mg/L；反应器外壁包裹加热垫311，通过温度探头314使反应温度控制在20～25℃；反应过程中通过搅拌装置312进行搅拌，搅拌速度为120～300rpm。通过自控装置33实时检测反应器内DO，当DO浓度出现突然急剧上升(突跃)时，则表明发酵液中的VFAs基本完全转化为PHA，反应时间为2～4h。

所述合成PHA混菌的驯化培养方法为：在合成PHA反应器中接种市政污水处理厂好氧池的活性污泥，污泥浓度为6000～8000mg/L，加入4～6g/L酵母浸提物进行曝气活化。根据剩余污泥发酵液中VFAs组份的比例，合成废水的化学需氧量(COD)为3000～5000mg/L，其中乙酸钠：丙酸钠：丁酸钠：戊酸钠为6:2:1:1～5:2:2:1；NH⁴⁺-N浓度为50～100mg/L；磷酸二氢钾的浓度为120～250mg/L。以序批方式进行污泥驯化，富集合成PHA混菌。驯化过程12～15h为一批次，进水为20～30分钟，曝气时间10～13h，沉淀时间1小时，排水30～40分钟，反应结束时换水比为1/3～1/2。DO浓度为2～5mg/L，反应温度为室温。驯化时间为5～8天。

实施例1

采用本发明中的工艺进行实验。取市政污水处理厂二沉池回流污泥，浓缩后使TSS达到15g/L。以发酵罐体积的3/5投入到发酵罐内开始进行发酵产酸。pH值、温度和转速分别设置为9.5，34℃和160rpm。用HCl和NaOH调节pH值。发酵时间为3d，发酵结束后发酵液转移至储备罐中。随后储备罐中的发酵液进入预处理装置内，同时泵送浓度为95mg/L含Mg²⁺溶液，MgCl₂与MgSO₄的质量比为1:3，搅拌速度为350rpm，时间为60分钟。反应结束后沉淀的磷酸铵镁进行资源回收，其上清液转移至对应的储备罐中。然后预处理后的发酵液进入合成PHA反应器内，补入的预处理后的发酵液体积为反应器体积的1/2，反应器内已驯化的活性污泥污泥浓度维持在4200mg/L。PHA合成过程中进行底部曝气，维持DO浓度为3mg/L，同时进行搅拌，搅拌速度为150rpm，反应温度控制在23℃。通过实时检测反应器内DO，当DO浓度突然出现急剧上升时，则表明发酵液中的VFAs基本完全转化为PHA，反应时间为2.5h。分别对各反应器中的相关指标进行监测，结果见表1。

表1实施例1的监测数据

	发酵液	预处理后的发酵液	合成PHA
				VFAs(mg COD/L)	2877.5	2583.4	-
NH<sup>4+</sup>-N(mg/L)	165.2	84.5	-
				无机磷(mg/L)	75.6	12.7	-
PHA(mg/gVSS)	-	-	596
				VFAs的摄取率(gPHA/gVFAs)	-	-	0.231

实施例2

采用本发明中的工艺进行实验。取市政污水处理厂二沉池回流污泥，浓缩后使TSS达到30g/L。以发酵反应器体积的2/3投入到发酵反应器内开始进行发酵产酸。pH值、温度和转速分别设置为10.5，36℃和250rpm。用HCl和NaOH调节pH值。发酵时间为4d，发酵结束后发酵液转移至储备罐中。随后发酵液进入预处理装置内，同时泵送浓度为180mg/L含Mg²⁺溶液，MgCl₂与MgSO₄的质量比为1:2，搅拌速度为500rpm，时间为45分钟。反应结束后沉淀的磷酸铵镁进行资源回收，其上清液进入相应的储备罐。然后预处理后的发酵液进入合成PHA反应器内，补入的预处理后的发酵液体积为反应器体积的3/5。反应器内已驯化的活性污泥污泥浓度维持在5000mg/L。反应过程中进行曝气，维持DO浓度为4mg/L，同时进行搅拌，搅拌速度为180rpm；反应温度控制在25℃。通过实时检测反应器内DO，当DO浓度突然出现急剧上升时，则表明发酵液中的VFAs基本完全转化为PHA，反应时间为3.2h。分别对各反应器中的相关指标进行监测，结果见表2。

表2实施例2的监测数据

	发酵液	预处理后的发酵液	合成PHA
				VFAs(mg COD/L)	5118.9	4970.8	-
NH<sup>4+</sup>-N(mg/L)	273.7	139.1	-
				磷酸盐(mg/L)	148.2	14.6	-
PHA(mg/gVSS)	-	-	836
				VFAs的摄取率(gPHA/gVFAs)	-	-	0.168

对比例1

对比例1的工艺流程不包括预处理装置，其他与实施例1相同。具体过程为：取市政污水处理厂二沉池回流污泥，浓缩后使TSS达到15g/L。以发酵反应器体积的3/5投入到发酵罐内开始进行发酵产酸。pH值、温度和转速分别设置为9.5，34℃和160rpm。用HCl和NaOH调节pH值。发酵时间为3天，发酵结束后酵液转移至储备罐中。随后发酵液进入直接进入后续合成PHA反应器内。补入的发酵液体积为反应器体积的1/2。反应器内已驯化的活性污泥污泥浓度维持在4500mg/L。反应过程中进行曝气，维持DO浓度为3mg/L，同时进行搅拌，搅拌速度为150rpm；反应温度控制在25℃，反应时间为2.5h。分别对各反应器中的相关指标进行监测，结果见表3。

表3对比例1的监测数据

对比例2

对比例2使用专利CN 101555314 B中的方法(不包括预处理装置；发酵温度与本发明的不同，为20±1℃；发酵时间与PHA合成时间与本发明的不同)。具体过程为：在有机玻璃制成的工作容积为5L的反应器中，加入3000mL，TSS浓度为15g/L的城市污水处理厂的剩余污泥(其含水率为99.4％，pH＝6.72)作为发酵产酸的底物，反应温度为20±1℃，调整pH为10，在厌氧条件下搅拌7d，发酵液用做下述PHA合成中的碳源。将0.5L的活性污泥置于合成PHA反应器中，污泥浓度为4500mg/L。在好氧条件下曝气，控制溶解氧浓度为3mg/L，所加发酵液体积与活性污泥体积比为2：1，每次待所加入发酵液中的VFAs消耗完毕后，停止曝气并静置沉淀，排出与前述步骤中所加入发酵液相同体积的上清液，并补加等体积的发酵液，曝气4h后停止曝气，离心收集活性污泥。分别对各反应器中的相关指标进行监测，结果见表4。

表4对比例2的监测数据

对比例3

对比例3使用专利CN 108486175 A中的方法(不包括本发明中的预处理装置；发酵pH值与本发明的不同，为6.0±0.1)。具体过程为：实验采用SBR反应器进行，采用三套相同的SBR反应器(编号分别为S1、S2和S3)，反应器由有机玻璃制成，反应器容积为2.5L，有效容积为2L，S1用于培养微生物，S2用于初级污泥和剩余污泥的产酸发酵，S3用于PHA的富集。S1中的合成PHA混菌的驯化方法与本发明中的方法一致，污泥浓度维持在4200mg/L。在S2中对剩余污泥进行发酵产酸，选用城镇污水处理厂二沉池污泥，浓缩后使TSS达到15g/L，pH值、温度和转速分别设置为6.0，34℃和160rpm，其中用0.5mol/L的稀硫酸来调节pH，发酵时间为16d。S1中驯化的合成PHA混菌与S2中的发酵液在S3中进行合成PHA，反应时间为2.5h。分别对各反应器中的相关指标进行监测，结果见表5。

表5对比例3的监测数据

	S2中发酵液	S3中合成PHA
			VFAs(mg COD/L)	1087	-
NH<sub>4</sub><sup>+</sup>-N(mg/L)	108.9	-
			无机磷(mg/L)	55	-
PHA(mg/gVSS)	-	235
			VFAs的摄取率(gPHA/gVFAs)		0.216

实施例1和实施例2均使用本发明中的工艺，通过碱性中温的发酵将污泥中有机物转化为VFAs，之后对剩余污泥发酵液中的氮磷进行回收，减低氨氮浓度，缓解高氨氮对合成PHA混菌的抑制，提高剩余污泥中有机碳的利用，最高可达到0.231gPHA/gVFAs，最终实现资源化利用并得到含量较高的PHA，高达到836mg/gVSS。

对比例1与实施例1相比较，在对发酵液无预处理的情况下合成PHA，对比例1中合成PHA含量是实施例1的0.74倍。在对比例2中，通过室温发酵产生的VFAs浓度低于实施例1，氮所用的发酵时间是实施例1的2.3倍；没有预处理装置降低氨氮浓度，其合成的PHA是实施例1的0.612倍，曝气时间比实施例1中的长。对比例3中采用三个反应器将污泥中的有机物转化为PHA，通过酸性发酵产生的VFAs是实施例1的0.38倍，发酵时间是实施例1的5.3倍，在无发酵液预处理装置合成的PHA含量低于实施例1，VFAs的摄取率为0.216gPHA/gVFAs，高于对比例1和对比例2，结果证明高浓度的氨氮对合成PHA混菌具有抑制作用，降低碳源的利用率。因此，利用本发明中的工艺，通过碱性中温发酵将污泥中的有机物较大程度的转化为VFAs，通过对发酵液预处理降低氨氮浓度，一方面可以回收利用剩余污泥中的氮磷资源，另一方可以提高合成PHA混菌对VFAs的利用转化为更多的PHA。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种剩余污泥发酵液中碳源高效转化为PHA的工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、浓缩后的剩余污泥补入发酵罐(11)中进行发酵；

S2、发酵结束后发酵液转移至预处理装置(21)进行预处理；

S3、对合成PHA反应器(31)中的合成PHA混菌进行驯化、富集；

S4、预处理后的发酵液进入合成PHA混菌驯化后的合成PHA反应器(31)，反应结束后得到PHA。

2.根据权利要求1所述的一种剩余污泥发酵液中碳源高效转化为PHA的工艺方法，其特征在于：所述的步骤S1中剩余污泥为污水处理厂二沉池回流污泥，剩余污泥浓缩后TSS为10～40g/L。

3.根据权利要求1所述的一种剩余污泥发酵液中碳源高效转化为PHA的工艺方法，其特征在于：所述的步骤S1中发酵参数为pH值控制在9.5～11，

ORP为-250～-450mV，温度为32～37℃，搅拌速度为150～400rpm，发酵时间为2～5d。

4.根据权利要求1所述的一种剩余污泥发酵液中碳源高效转化为PHA的工艺方法，其特征在于：所述的步骤S2发酵完成后发酵液中NH⁴⁺-N的浓度为130～450mg/L，磷酸盐的浓度为60～200mg/L，VFAs组份中乙酸：丙酸：丁酸：戊酸为6:2:1:1～5:2:2:1。

5.根据权利要求1所述的一种剩余污泥发酵液中碳源高效转化为PHA的工艺方法，其特征在于：所述的步骤S2中向预处理装置中添加Mg²⁺溶液，Mg²⁺溶液为MgCl₂和MgSO₄的混合溶液，Mg²⁺溶液浓度为80～300mg/L，MgCl₂与MgSO₄的质量比为1:3～3:5。

6.根据权利要求7所述的一种剩余污泥发酵液中碳源高效转化为PHA的工艺方法，其特征在于：所述的步骤S2中工艺参数为搅拌速度300～600rpm，反应时间30～70min。

7.根据权利要求4所述的一种剩余污泥发酵液中碳源高效转化为PHA的工艺方法，其特征在于：所述的步骤S3中，在合成PHA反应器中接种污水处理厂好氧池的活性污泥，污泥浓度为6000～8000mg/L，加入4～6g/L酵母浸提物进行曝气活化，合成废水中的COD为3000～5000mg/L，其中乙酸钠：丙酸钠：丁酸钠：戊酸钠为：6:2:1:1～5:2:2:1，以序批方式进行污泥驯化，富集合成PHA混菌。

8.根据权利要求7所述的一种剩余污泥发酵液中碳源高效转化为PHA的工艺方法，其特征在于：所述的步骤S3中，驯化过程12～15h为一批次，进水为20～30min，曝气时间10～13h，沉淀时间1h，排水30～40min，反应结束时换水比为1/3～1/2，DO浓度为2～5mg/L，反应温度为室温，驯化时间为5～8d。

9.根据权利要求1所述的一种剩余污泥发酵液中碳源高效转化为PHA的工艺方法，其特征在于：所述的步骤S4中PHA的合成条件为已驯化富集的合成PHA混菌浓度4000～6000mg/L，控制温度为20～25℃，搅拌速度为120～300rpm，DO浓度2～5mg/L，反应时间为2～4h。

10.根据权利要求1所述的一种剩余污泥发酵液中碳源高效转化为PHA的工艺方法，其特征在于：所述的步骤S4中DO浓度出现突然急剧上升(突跃)时，反应结束。