TWI661047B - 利用發酵廢棄污泥產生揮發性脂肪酸以增加污泥中聚羥基烷酸酯（ｐｏｌｙｈｙｄｒｏｘｙａｌｋａｎｏａｔｅｓ，ＰＨＡｓ）含量之方法 - Google Patents

利用發酵廢棄污泥產生揮發性脂肪酸以增加污泥中聚羥基烷酸酯（ｐｏｌｙｈｙｄｒｏｘｙａｌｋａｎｏａｔｅｓ，ＰＨＡｓ）含量之方法 Download PDF

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Abstract

本發明係關於一種增加污泥中聚羥基烷酸酯(polyhydroxyalkanoates, PHAs)含量之方法，其特徵在於利用發酵廢棄污泥所得之發酵液做為碳源，並進行好氧動態進流(Aerobic dynamic feeding,ADF)馴養程序，藉以快速提高污泥中聚羥基烷酸酯含量；依據本發明之方法，以簡易活化污泥取代繁複的馴養步驟，即可進行好氧動態進流而產生較高含量之PHA，此外，本發明於好氧動態進流過程中添加之碳源乃利用廢棄污泥發酵後所產生之揮發性脂肪酸，而無需另外添加其他物質，更具備產業利用性。

Description

利用發酵廢棄污泥產生揮發性脂肪酸以增加污泥中聚羥基烷酸酯 (polyhydroxyalkanoates,PHAs)含量之方法
本發明係關於一種增加污泥中聚羥基烷酸酯含量之方法，尤其是指透過將廢棄污泥發酵後所得之發酵液做為碳源，並將發酵液注入經氧氣曝氣活化後之污泥以進行微生物馴養，並以污泥之飽和溶氧量做為碳源耗盡之依據，藉以提高細胞中聚羥基烷酸酯之生產效率及含量。
自民國50年代起，台灣石油化學工業隨著石化工業區建造數日漸增長，石化工業之發展亦日趨完善，廣義而言，舉凡由石油或天然氣所製備而成之石化原料，再進一步將石化原料加工為終端成品，其相關之工業皆稱之為石化產業。
石化工業所觸及的範疇包括基本化學材料製造業、石油化工原料製造業、肥料製造業、合成樹脂/塑膠製造業、合成橡膠製造業及人造纖維製造業；石化原料包含有乙烯、丙烯、丁二烯、苯、甲苯及二甲苯等，上述原料在經過高溫高壓裂解等製程後可獲得中間原料，此些中間原料再經過聚合(polymerization)、酯化(esterification)或烷化(alkylation)等化工製程後即可獲得各式塑膠材料(plastics)、橡膠材料(rubber)、合成纖維材料(Synthetic Fibers)及化學 品等，而將前述之聚合材料以特定的加工程序進行加工，即可獲得終端產品；石化產品遍及於日常生活中，與現代民生需求密不可分。
雖然石化產品為生活帶來極大便利性，然而，此些合成的高分子材料，亦即合成塑膠(如聚丙烯，聚乙烯，聚氯乙烯及聚苯乙烯等)，具有極高的化學穩定性，其耐酸鹼且不發霉亦不腐蝕，為城市固體廢棄物的主要成分，更有白色污染之稱；為了能夠減緩此些合成塑膠對環境造成之迫害，部分國家自2004年起公布相關法令以限用傳統塑膠袋，並提倡使用自備環保袋，而除了減少傳統塑膠的使用量外，各國亦投入開發傳統塑膠之替代材料，或以生物可分解塑膠(Biodegradable Plastic,BDP)取代。
生物可分解塑膠，或以生物可降解塑膠為人所知，亦可稱之為綠色塑膠，係指可以在適當的溼度、氧氣及微生物存在之自然掩埋或堆肥環境中，被微生物代謝並分解產生水和二氧化碳或甲烷，而在自然界中降解的塑膠材料，因此其對環境危害較小；在多種類之生物可分解塑膠原料中，由於生物基生物可降解塑料可完全被生物降解，因此被視為較具發展前景之生物可分解塑膠原料，其中，聚羥基烷酸酯(Polyhydroxyalkanoate,PHAs)因具有生物可降解性以及生物相容性等多面向特點，更可廣泛應用於生醫材料、組織工程材料、電學材料及包裝材料之中。
聚羥基烷酸酯(Polyhydroxyalkanoate,PHAs)之熱塑性類似於石化塑膠(Lee,2012)，其為可由許多類型之細菌於胞內合成之細胞內聚酯；目前與聚羥基烷酸酯相關研究，多半是利用含有聚羥基烷酸酯蓄積能力之菌種進行純菌培養，以探討生產聚羥基烷酸酯之最佳化條件，雖然純菌培養能得到較多 量的聚羥基烷酸酯，但以最佳化條件下生產聚羥基烷酸酯，其操作成本亦將相對提高；而於另一方面，國內外各地污水處理廠數量急遽增加，污水處理率也相對提高許多，再者，每年產生大量的污泥，更需要委外處理，其污泥處理成本日漸提高，導致廢棄污泥處理成本佔污水處理廠總成本的60%(Wei et al.,2003)，儼然已成為污水處理業者亟為棘手的問題。
綜合上述之現有技術有待改良的部分，以及產業中有待解決之問題，本發明遂提出將廢棄污泥再利用的概念來生產聚羥基烷酸酯，同時達到降低聚羥基烷酸酯生產成本、減少聚羥基烷酸酯生產繁複性、加速聚羥基烷酸酯生產效率以及解決廢棄污泥過量之目的，以期進一步使聚羥基烷酸酯更具產業利用性。
基於上述之緣由，本發明係提出一種增加污泥中聚羥基烷酸酯(polyhydroxyalkanoates,PHAs)含量之方法，該方法係將廢棄污泥以適當條件進行發酵，發酵後所獲得之發酵液含有較高之揮發性脂肪酸含量，因此可做為良好的馴養微生物之碳源。
另一方面，該方法係將廢棄污泥以水稀釋後，再以氧氣進行曝氣活化，再將前述之發酵液注入活化後之污泥以進行微生物馴養，因此可有效地將廢棄污泥再利用，解決廢棄污泥日漸劇增之問題。
又另一方面，該方法係於活化污泥之飽和溶氧量達到75%~85%時將發酵液注入活化後之污泥，並於活化污泥之飽和溶氧量下降至65%~75%時 再次注入發酵液，如此，可透過簡易的流程有效監測碳源消耗狀況，並有效調節活化污泥中之食微比(Food to Microorganism ratio,F/M)，以大幅提高聚羥基烷酸酯之生產率及蓄積率。
為達成上述之目的，本發明所提出之增加污泥中聚羥基烷酸酯含量之方法，係包含步驟如下：(1)取水稀釋該污泥並進行氧氣曝氣活化以獲得一活化污泥；(2)取另一該污泥於40℃~50℃下發酵4-6天以獲得一發酵液；以及(3)取該發酵液注入該活化污泥以進行微生物馴養並合成聚羥基烷酸酯(PHAs)；其中，當該活化污泥之飽和溶氧量(Dissolved Oxygen,DO)達到75%~85%時，即加入該發酵液以合成聚羥基烷酸酯，且於該活化污泥之飽和溶氧量下降至65%~75%時再次添加該發酵液，並重複操作5~10次。
於一實施例中，於稀釋該污泥之步驟前，係過篩該污泥以去除雜質，並將該污泥之酸鹼值調整為pH=11。
於一實施例中，於稀釋該污泥之步驟中，係將該污泥及水以1：1混合而稀釋。
於一實施例中，於發酵之步驟中，係以40℃發酵5天。
於一實施例中，於合成聚羥基烷酸酯之步驟中，係於溫度範圍介於23~26℃及酸鹼值範圍介於pH=8.5~pH=9.5之環境下添加包含濃度範圍介於300~500mg/L揮發性脂肪酸之該發酵液以進行合成。
於一實施例中，該揮發性脂肪酸係選自由乙酸(Acetic acid,HAc)、丙酸(Propanoic acid,HPr)、異丁酸(Isobutyric acid,iso-HBu)、丁酸(Butanoic acid,HBu)及戊酸(Valeric acid,HVa)所組成之群組中之一或其任意組合。
於一實施例中，當該活化污泥之飽和溶氧量達到80%時，即加入該發酵液以合成聚羥基烷酸酯，並於該活化污泥之飽和溶氧量下降至70%時再次添加該發酵液，並重複操作8~10次。
此外，本發明亦提出一種用於污泥生產聚羥基烷酸酯之廢棄污泥發酵液，其係以廢棄污泥為原料直接進行發酵而獲得含有較高含量之揮發性脂肪酸，並可做為碳源以馴養廢棄污泥中微生物並生產聚羥基烷酸酯，如此可將回收之廢棄污泥再利用，以降低廢棄污泥處理成本並有效降低廢棄污泥量。
為達成上述之目的，本發明所提出之用於污泥生產聚羥基烷酸酯之廢棄污泥發酵液，係包含濃度範圍介於1,200~1,500毫克/升(mg/L)之揮發性脂肪酸(Volatile Fatty Acid,VFA)，且係由下述方法所製備而成：(1)過篩一廢棄污泥以去除雜質並沉澱該廢棄污泥；(2)均勻混合該廢棄污泥並將酸鹼值調整至pH=10.5~pH=11.5；以及(3)將該廢棄污泥於40℃~50℃下發酵4-6天以獲得該廢棄污泥發酵液。
於一實施例中，該揮發性脂肪酸係選自由乙酸(Acetic acid,HAc)、丙酸(Propanoic acid,HPr)、異丁酸(Isobutyric acid,iso-HBu)、丁酸(Butanoic acid,HBu)及戊酸(Valeric acid,HVa)所組成之群組中之一或其任意組合。
於一實施例中，該廢棄污泥之酸鹼值係pH=11，且該廢棄污泥係於40℃發酵5天。
步驟S10-步驟S16
步驟S20-步驟S24
第1圖：其係本發明之第一實施例之流程示意圖； 第2圖：其係本發明之第二實施例之流程示意圖；第3A-3B圖：其係說明發酵溫度及發酵天數對揮發性脂肪酸及總揮發性脂肪酸產量之影響；第4A-4B圖：其係說明廢棄污泥之活化；第5圖：其係說明以好氧動態進流(Aerobic Dynamic Feeding,ADF)馴養微生物之最適揮發性脂肪酸濃度；第6A-6C圖：其係說明好氧動態進流馴養微生物之最適溫度、最適pH值及最適添加揮發性脂肪酸次數；第7圖：其係說明好氧動態進流馴養時添加揮發性脂肪酸之時點；第8圖：其係說明透過本發明之方法所得之聚羥基烷酸酯產量與其他文獻之比較。
本發明之其他特點與優勢將在以下實施例中作進一步地說明；以下實施例係用於協助圖式之說明描述，而非用於限制本發明。
聚羥基烷酸酯(Polyhydroxyalkanoate,PHAs)屬於一類生物可降解原料，由於其同時具備生物可降解性及生物相容性，因此可應用之範疇相當廣泛，然而，有鑑於聚羥基烷酸酯之生產成本居高不下，且生產流程繁複以致於生產效率亦不佳，此外，廢棄污泥之累積及處理成本問題亦年年擴張；於是，本發明遂提供一種利用發酵廢棄污泥產生揮發性脂肪酸以增加污泥中聚羥基烷 酸酯含量之方法，以期解決上述現有技術之瓶頸；以下，將針對本發明之技術手段及特點進行說明。
請參閱第1圖，其係本發明之第一實施例之流程示意圖；如圖所示，本實施例所述之增加污泥中聚羥基烷酸酯(polyhydroxyalkanoates,PHAs)含量之方法，係包含步驟如下：步驟S10：取水稀釋該污泥並進行氧氣曝氣活化以獲得一活化污泥；步驟S12：取另一該污泥於40℃~50℃下發酵4-6天以獲得一發酵液；以及步驟S14：取該發酵液注入該活化污泥以進行微生物馴養並合成聚羥基烷酸酯(PHAs)。
其中，於步驟S10之前，係如第2圖之步驟S20及步驟S22所示，先將廢棄污泥進行前處理，進一步而言，其係將廢棄污泥過篩以去除石頭及葉子等大型雜質，並將經前處理之廢棄污泥之酸鹼值調整為pH=10.5~pH=11.5，於一較佳實施例中，係將該廢氣污泥之酸鹼值調整為pH=11，再將之靜置於4°C中至少12小時，使得廢棄污泥沉澱以備用。
所述之廢棄污泥可取自於任意污泥類型(如：生活污泥、醫院污泥、發酵業污泥及畜牧業污泥等)，於本實施例中，係選用發酵業濃縮槽污泥作為廢棄污泥來源，該濃縮槽污泥係來自於初沉污泥及終沉污泥，且兩者之體積占比約為1：3(v/v)，此外，該濃縮槽污泥在未經處理之前其基本性質如下表一所示：
其中，步驟S10之目的係在於將廢棄污泥以氧氣充分曝氣以活化污泥，藉此提供廢棄污泥中之好氧微生物群於後續馴養處理時中所需之氧氣；而為能達到較佳之曝氣活化效果，於本實施例中係將廢棄污泥以適當之溶劑進行稀釋，於一較佳實施例中，係以RO水與廢棄污泥以1：1混合而稀釋，如此，將稀釋後之廢棄污泥進行氧氣曝氣後，可使氧氣均勻分布於廢棄污泥之中，以達到較佳的活化效果。
另一方面，聚羥基烷酸酯(polyhydroxyalkanoates,PHAs)係於多數微生物細胞中做為一種得以儲存碳源、能量或還原力的儲存物，許多微生物能在生長基本元素(如氮、磷、硫、氧或鎂等)受限制，但存在外部碳源的環境下，攝取基質(即外部碳源)以合成聚羥基烷酸酯(Lee and Chang,1994,Ander and Dawes,1990,Roy et al.,2015)，而細胞攝取不同種類碳源後，除了合成聚羥基烷酸酯之代謝途徑不同外，其所合成的聚羥基烷酸酯種類也不同；又，可由微生物細胞所合成之聚羥基烷酸酯(PHAs)主要由聚羥基丁酸酯(PHB)及聚羥基戊酸酯(PHV)所組成，且此兩者相較於其他種類之聚羥基烷酸酯，皆具備較佳之生物 相容性(Bio-compatibility)及生物分解性(Bio-degradability)，而兩者之組成比例，則取決於所供給之基質形式及水解程度而定，亦即，若基質形式簡單且水解程度高，則醋酸含量高，所合成之聚羥基丁酸酯之組成比例也相對高，據此，如欲控制微生物所生產之聚羥基烷酸酯種類，則需考量所添加之碳源種類。
為了能夠有效利用廢棄污泥並同時降低製備聚羥基烷酸酯之原料成本，本實施例係於步驟S12中，係另取一批經前處理後之廢棄污泥進行發酵反應(Fermentation)，以直接自廢棄污泥中獲得後續用於餵養微生物之碳源；於本實施例中，係將經前處理後之廢棄污泥置於40~50℃中發酵4~6天，於一較佳實施例中，係於40℃下發酵5天。
經上述發酵反應後所獲得之發酵液係包含濃度範圍介於1,200~1,500毫克/升(mg/L)之揮發性脂肪酸(Volatile Fatty Acid,VFA)，又該揮發性脂肪酸係選自由乙酸(Acetic acid,HAc)、丙酸(Propanoic acid,HPr)、異丁酸(Isobutyric acid,iso-HBu)、丁酸(Butanoic acid,HBu)及戊酸(Valeric acid,HVa)所組成之群組中之一或其任意組合；於一實施例中，經由步驟S12之發酵反應所獲得之發酵液，其各種類揮發性脂肪酸含量如表二所示，其中，乙酸及丙酸含量較其他種類之揮發性脂肪酸為多，分別約為31%及26%。
接續，在獲得富含揮發性脂肪酸之發酵液後，即如步驟S14所述，取步驟S12之該發酵液注入步驟S10之該活化污泥以進行微生物馴養而得以促使細胞合成並蓄積聚羥基烷酸酯。
過飽/過飢交替培養(Feast and famine cycling)(Salehizadeh et al.,2004)是一種微生物馴養方法，其可促使微生物儲存細胞內之碳源；於本實施例中，係選用好氧動態進流(aerobic dynamic feeding,ADF)來達成過飽/過飢交替培養；進一步而言，於本實施例中，係以該發酵液作為外部可利用的碳源，批次且連續地提供給該活性污泥，當該發酵液甫注入該活性污泥時，即為碳源過飽的狀態，此時，細胞攝取碳之後可能進行細胞生長(cell growth)或儲存聚羥基烷酸酯，而當所注入之外部碳源耗盡之後，即為碳源過飢的狀態，此時，細胞所儲存的聚羥基烷酸酯則被消耗以做為細胞生長所需的能量(Lemos et al.,2004；Dionisi et al.,2005；Johnson et al.,2010；Majone et al.,1996；Loosdrecht and Heijnen,2002；Dias et al.,2006)，然而，由於細胞儲存聚羥基烷酸酯的速率大於細胞生長的速率，因此聚羥基烷酸酯得以累積於細胞中(Serafim et al.,2004)。
承上述，在好氧動態進流的過程中，需準確地於碳源耗盡之時再補充碳源以使得細胞重新進入過飽的狀態，藉以提高微生物中聚羥基烷酸酯的生產及存儲速率，而碳源注入含有該活化污泥之槽體時，由於微生物利用碳源而消耗氧氣，因此飽和溶氧量(Dissolved Oxygen,DO)會隨之下降，當碳源即將利用完畢時，飽和溶氧量則隨之回升；據此，於本實施例中，廢棄污泥於步驟S10進行氧氣曝氣時，係將所得之該活化污泥之飽和溶氧量(Dissolved Oxygen,DO)控制在75%~85%(6.18~7.01mg/L,25℃)，並於首次將該發酵液注入該活化污 泥後，同時即時監測該活化污泥之飽和溶氧量變化，當該活化污泥之飽和溶氧量下降至65%~75%(5.36~6.18mg/L,25℃)時再次添加該發酵液，並重複操作5~10次；於一較佳實施例中，係於該活化污泥之飽和溶氧量達到80%(6.60mg/L,25℃)時開始添加該發酵液，而當該活化污泥之飽和溶氧量下降至70%時再次添加該發酵液，如此重複操作8~10次；透過前述之微生物馴養方法，能夠以較簡易的流程監控微生物消耗外部碳源的狀況，因而能夠準確地再次添加外部碳源，並將食微比(Food to Microorganism ratio,F/M)控制在0.19±0.08，藉以達到高效能之過飽/過飢交替培養，進而提高細胞中聚羥基烷酸酯的合成及儲存速率。
本發明之其他特色及優點將於下列實施範例中被進一步舉例與說明，而該實施範例僅作為輔助說明，並非用於限制本發明之範圍。
由於廢棄污泥發酵後所獲得之揮發性脂肪酸產量及成份係因發酵的溫度及時間而有差異，且廢棄污泥的活化亦影響著後續微生物馴養以合成聚羥基烷酸酯之效能，再者，微生物馴養之培養條件及添加模式也與聚羥基烷酸酯之產量及儲存效率息息相關，因此，本發明透過下述實施例來探討較佳實施例之參數條件。
實驗方法
分析揮發性脂肪酸(VFA)濃度
於本發明中，溶液中揮發性脂肪酸(VFA)濃度係以氣相層析質譜儀(GC-MS)進行分析，分析管柱為DB-FFAP，管柱長度為30公尺(m)、管柱內徑為0.31毫米(mm)，氣相層析質譜儀之分析條件：注射口溫度為200℃、偵測器口溫度為250℃、烘箱溫度為60℃、載流氣體為氦氣(He，99.995%)，流速為每 分鐘46.8毫升(ml/min)、分流比為13：1、樣品注入體積為2μl，分析時間為14分鐘。
分析聚羥基烷酸酯(PHAs)濃度
於本發明中，溶液中聚羥基烷酸酯(PHAs)濃度以氣相層析質譜儀(GC-MS)進行分析，分析管柱為DB-1，管柱長度為30m、管柱內徑為0.25mm，氣相層析質譜儀分析條件：注射口溫度為220℃、偵測器口溫度為230℃、烘箱溫度為70℃、載流氣體為氦氣(He，99.995%)，流量為2.8ml/min、分流比為15：1、樣品注入體積為2μl，分析時間為10分鐘。
統計分析
於本發明中，係利用SPSS(PASW Statistics18)軟體進行分析，分析方法選擇one way ANOVA及成對樣本T檢定，以確認溫度對揮發性脂肪酸(VFA)產量變化，以及以不同條件進行好氧動態進流(ADF)馴養下聚羥基烷酸酯(PHAs)產量變化之數據是否有顯著差異。
實施例一、發酵溫度及發酵天數對揮發性脂肪酸總產量之影響
請參照第3A圖及第3B圖，第3A圖為不同廢棄污泥發酵溫度及發酵天數對應於揮發性脂肪酸(VFA)生成濃度之變化圖，而第3B圖則為不同廢棄污泥發酵溫度及發酵天數對應於微生物之揮發性脂肪酸(VFA)產量變化圖；由結果可以得知，發酵溫度為40℃及50℃時，相較於發酵溫度為20℃及30℃時之揮發性脂肪酸(VFA)產量較高；其中，為當發酵溫度為40℃時，發酵第一天至發酵第七天之揮發性脂肪酸(VFA)濃度分別為785、935、578、779、1,144、970及593毫克/升(mg/L)(如第3A圖所示)，且每單位微生物所產生之揮發性脂肪酸(VFA)量則分別為60.8、74.3、46.5、61.5、92.9、82.1及53.5毫克(mg VFA/g VSS)(如 第3B圖所示)，因此，廢棄污泥以40℃進行發酵時，最適發酵天數為5天；此外，當發酵溫度為50℃時，第一天至第七天之揮發性脂肪酸(VFA)濃度分別為528、627、658、679、871、783及754mg/L(如第3A圖所示)，每單位微生物所產生之揮發性脂肪酸(VFA)則分別為46、53.7、58.4、60.5、84.5、73.8、72.2mg VFA/g VSS(如第3B圖所示)，因此，廢棄污泥以50℃進行發酵時，最適發酵天數亦為5天；依據上述之結果並由統計分析軟體SPSS可以得知，廢棄污泥之發酵溫度分別為40℃和50℃時，所產生之揮發性脂肪酸濃度並無顯著差異；據此，本發明於一較佳實施例中，係以40℃發酵5天之條件進行發酵，而能於有效利用廢棄污泥的情況下，同時降低處理成本及能源耗損。
實施例二、活化廢棄污泥
請參照第4A圖及第4B圖，第4A圖為不同濃度廢棄污泥之活化現象，第4B圖則為長時間觀察廢棄污泥之活化現象；第4A圖結果中，混合液揮發性懸浮固體濃度(MLVSS)落在7,000±1,000毫克/升(mg/L)之組別係將廢棄污泥與RO水以1：1稀釋後進行後續實驗，而MLVSS落在15,000±1,500mg/L之組別則為沒有稀釋之原始廢棄污泥，其中，稀釋後之廢棄污泥，以氧氣曝氣後即可快速達到80%之飽和溶氧量(Dissolved Oxygen,DO)，而沒有稀釋之原始廢棄污泥則可以明顯看出飽和溶氧量在曝氣後400分鐘內幾乎沒有上升，且達到飽和溶氧量80%(989min)之時間幾乎是稀釋後之廢棄污泥的三倍；此外，考量在曝氣達到80%飽和溶氧量時，因部分微生物消耗掉水中的有機質，而部分微生物還沒完全甦醒，導致飽和溶氧量可能假性上升後又下降，亦即飽和溶氧量未達平衡，據此，本實施例進一步將曝氣時間延長以持續觀察飽和溶氧量，結果如第4B圖所示，稀釋後之廢棄污泥經曝氣後1,800分鐘內皆維持穩定的飽和溶氧量；據此， 本發明於一較佳實施例中，係將廢棄污泥與RO水以1：1稀釋後進行氧氣曝氣活化。
實施例三、好氧動態進流(Aerobic Dynamic Feeding,ADF)馴養微生物之最適添加揮發性脂肪酸濃度
請參照第5圖，其為以好氧動態進流(ADF)進行微生物馴養處理時，不同揮發性脂肪酸濃度對於馴養後聚羥基烷酸酯產量之影響；實驗係以不同揮發性脂肪酸(VFA)濃度(分別為400、801及1335mg/L)進行好氧動態進流馴養處理，如圖所示，X軸為揮發性脂肪酸(VFA)處理時間，Y軸為聚羥基烷酸酯(PHA)產生量(mg PHA/g VSS)；由結果可以得知，以揮發性脂肪酸(VFA)濃度為400mg/L濃度來進行好氧動態進流(ADF)時，可在短時間內產生高產量的聚羥基烷酸酯(PHA)，且聚羥基烷酸酯(PHA)之產量明顯高於揮發性脂肪酸(VFA)添加濃度為801及1,335mg/L時之產量；據此，本發明於一較佳實施例中，係以揮發性脂肪酸(VFA)濃度為400mg/L進行好氧動態進流微生物馴養處理。
實施例四、好氧動態進流馴養微生物之最適溫度、最適pH值及最適添加揮發性脂肪酸次數
請參照第6A-6C圖，其為以好氧動態進流(ADF)進行微生物馴養處理時，不同溫度及pH值對於馴養後聚羥基烷酸酯產量之影響；實驗係以不同溫度(10、25及40℃)及pH值(6、7.5及9)進行好氧動態進流馴養處理，如第6A圖所示，X軸為好氧動態進流(ADF)馴養時間(min)，Y軸為聚羥基烷酸酯(PHA)產生量(mg PHA/g VSS)，如結果所示，在揮發性脂肪酸濃度400mg/L且溫度為25℃時，能夠在短時間內(935min)達到非常好的聚羥基烷酸酯(PHA)產量(665mg PHA/g VSS)；此外，如第6B圖所示，X軸為好氧動態進流(ADF)馴養時間(min)，Y軸為聚羥基烷酸酯(PHA)產生量(mg PHA/g VSS)，經由SPSS檢定得知pH=7.5與pH=9的結果並無顯著差異；另，如第6C圖所示，X軸為揮發性脂肪酸(VFA)添加次數，Y軸為聚羥基烷酸酯(PHA)產生量(mg PHA/g VSS)，由結果可以得知，在pH為6、7.5及9時之環境下，最高聚羥基烷酸酯(PHA)產量分別為456mg PHA/g VSS、634mg PHA/g VSS及705mg PHA/g VSS，亦即45.6、63.4及70.5%，聚羥基烷酸酯(PHA)產量最高所對應之添加次數則分別為9、8及10次添加；綜合上述結果，本發明於一較佳實施例中，係於25℃及pH=9之環境下，以添加揮發性脂肪酸8~9次進行好氧動態進流馴養處理。
實施例五、好氧動態進流馴養時添加揮發性脂肪酸之時點
請參照第7圖，其係以添加400mg/L之揮發性脂肪酸(VFA)，且控制溫度為25℃並利用5N H2SO4及5N NaOH將酸鹼值控制在pH=9之條件下進行十次揮發性脂肪酸(VFA)添加實驗；廢棄污泥經過曝氣活化後，其飽和溶氧量達到80%始能進行好氧動態進流馴養，由結果可以觀察到，第一次添加揮發性脂肪酸(VFA)的同時，亦即碳源進入槽體後，飽和溶氧量(DO)會隨之下降，其是肇因於槽體內微生物利用碳源而消耗氧氣，而當所添加之碳源被微生物利用完畢後，飽和溶氧量(DO)亦隨之上升而達到平衡；於此，根據第7圖之飽和溶氧量(DO)變化趨勢，在好氧動態進流馴養之過程中，當外加之碳源消耗完畢後，槽體內飽和溶氧量(DO)達到平衡時所對應之飽和溶氧量為70%，故，本發明於一較佳實施例中，係以每次添加揮發性脂肪酸(VFA)後即時監測槽體內之飽和溶氧量，並於飽和溶氧量達到70%即進行下一次添加。
依據上述實施例探討所得之較佳實施例之參數條件，並以實施例所述之發酵液及活性污泥合成聚羥基烷酸酯，所得之聚羥基烷酸酯產生與其他文獻使用之合成方法所獲得之產量比較如第8圖所示，由結果可以得知，本實施例之方法可以在未經繁雜的馴養步驟且無須外加藥劑之下，獲得約70%之聚羥基烷酸酯產量，同時達到降低製備成本以及提高生產效率之目的。
綜合上述實施例之結果可以得知，本發明係提供一種利用發酵廢棄污泥產生揮發性脂肪酸以增加污泥中聚羥基烷酸酯含量之方法，該方法直接將廢棄污泥進行發酵反應以取得發酵液做為碳源，藉以降低微生物馴養之原料成本；此外，亦藉由稀釋廢棄污泥後進行氧氣曝氣，以提高活化污泥之含氧均勻度，進而提高後續微生物馴養之效能；再者，該方法將前述之發酵液用於活化污泥中以進行微生物馴養，並於馴養過程中透過即時監控飽和溶氧量來決定添加外部碳源的時機，因而得以提高微生物合成及儲存聚羥基烷酸酯之效率；據此，本發明所提供之方法，係將廢棄污泥有效再利用，以同時達到降低聚羥基烷酸酯生產成本以及解決廢棄污泥累積問題，另一方面，本發明所提供之方法，無需繁複的馴養流程以及冗長的監控碳源步驟，因而能夠減少聚羥基烷酸酯生產繁複性並提高聚羥基烷酸酯生產效能，進而使聚羥基烷酸酯更具產業利用性。

Claims (9)

  1. 一種增加污泥中聚羥基烷酸酯(polyhydroxyalkanoates,PHAs)含量之方法，其特徵在於包含步驟：取水稀釋該污泥並進行氧氣曝氣活化以獲得一活化污泥；取另一該污泥於40℃~50℃下發酵4-6天以獲得一發酵液；以及取該發酵液注入該活化污泥以進行微生物馴養並合成聚羥基烷酸酯(PHAs)；其中，當該活化污泥之飽和溶氧量(Dissolved Oxygen,DO)達到75%~85%(6.18~7.01mg/L)時，即加入該發酵液以合成聚羥基烷酸酯，且於該活化污泥之飽和溶氧量下降至65%~75%(5.36~6.18mg/L)時再次添加該發酵液，並重複操作5~10次；其中，於合成聚羥基烷酸酯之步驟中，係於溫度範圍介於23~26℃及酸鹼值範圍介於pH=8.5~pH=9.5之環境下添加包含濃度範圍介於300~500mg/L揮發性脂肪酸之該發酵液以進行合成。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中於稀釋該污泥之步驟前，係過篩該污泥以去除雜質，並將該污泥之酸鹼值調整為pH=11。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中於稀釋該污泥之步驟中，係將該污泥及水以1：1混合而稀釋。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中於發酵之步驟中，係以40℃發酵5天。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該揮發性脂肪酸係選自由乙酸(Acetic acid,HAc)、丙酸(Propanoic acid,HPr)、異丁酸(Isobutyric acid,iso-HBu)、丁酸(Butanoic acid,HBu)及戊酸(Valeric acid,HVa)所組成之群組中之一或其任意組合。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中當該活化污泥之飽和溶氧量達到80%(6.60mg/L)時，即加入該發酵液以合成聚羥基烷酸酯，並於該活化污泥之飽和溶氧量下降至70%(5.77mg/L)時再次添加該發酵液，並重複操作8~10次。
  7. 一種用於污泥生產聚羥基烷酸酯(polyhydroxyalkanoates,PHAs)之廢棄污泥發酵液的製備方法，其特徵在於該發酵液包含下列步驟：(1)過篩一廢棄污泥以去除雜質並沉澱該廢棄污泥；(2)均勻混合該廢棄污泥並將酸鹼值調整至pH=10.5~pH=11.5；以及(3)將該廢棄污泥於40℃~50℃下發酵4-6天以獲得該廢棄污泥發酵液，其中該發酵液包含濃度範圍介於1,200~1,500毫克/升(mg/L)之揮發性脂肪酸(Volatile Fatty Acid,VFA)。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該揮發性脂肪酸係選自由乙酸(Acetic acid,HAc)、丙酸(Propanoic acid,HPr)、異丁酸(Isobutyric acid,iso-HBu)、丁酸(Butanoic acid,HBu)及戊酸(Valeric acid,HVa)所組成之群組中之一或其任意組合。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該廢棄污泥之酸鹼值係pH=11，且該廢棄污泥係於40℃發酵5天以獲得該廢棄污泥發酵液。
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