好氧动态排水法用于快速驯化活性污泥混合菌群制备聚羟基烷酸酯的方法

摘要

好氧动态排水法用于快速驯化活性污泥混合菌群制备聚羟基烷酸酯的方法，它涉及制备聚羟基烷酸酯的方法。本发明要解决现有的活性污泥混合菌群合成PHA驯化时间长、反应器运行不稳定及合成的PHA含量低的问题。本发明的方法为：一、取活性污泥置于SBR反应器中；二、以6～12h为一个运行周期，其中包含2次进水，沉淀，排水，排水比为1:1，第一次的进水包括碳源和各种营养物质，而第二次只补充氮营养；三、以每天2～4个周期运行，污泥停留时间为1～10天，收集泥水混合液；四、进行批次实验，排出一半上清液，补充等量碳源，曝气，沉淀，排水；如此重复6～8次，即完成。本发明属于可生物降解塑料合成领域。

说明书

技术领域

本发明属于市政污泥资源利用与生物可降解塑料合成领域，具体涉及采用 SBR好氧工艺驯化具有聚羟基烷酸酯(PHAs)合成能力的活性污泥混合菌群。

背景技术

聚羟基烷酸脂（Polyhydroxyalkanoates，简称PHAs或PHA）是一类由多种 原核微生物在不均衡营养条件下合成，并存储于细胞内的脂类聚合物，在微生物 代谢中起到积累碳源，平衡细胞内外离子的作用。其化学、物理性质与化学合成 塑料相似，并且PHA可以在自然界中被微生物完全分解利用，是一种很有应用 前景和开发价值的新型环保材料，有望解决目前普遍存在的白色污染问题。

目前PHA的生产主要以纯菌培养发酵为主，且往往以高纯度糖类为基质， 培养条件苛刻，致使PHA生产成本居高不下。活性污泥法是城市污水处理厂的 生物处理工艺中的核心工艺，活性污泥是包含了细菌、真菌、原生动物、后生动 物的复杂微生物的体系。已有研究表明活性污泥污水处理的工艺中，具备PHA 合成能力的菌类普遍存在，说明利用混合菌群进行PHA合成完全可行。利用活 性污泥混合菌群合成PHA可有效降低成本，但同时也存在着驯化时间长、反应 器运行不稳定及合成的PHA含量低等局限性，成为其产业化生产的瓶颈。本发 明中采用快速沉淀动态排水的方法，原理是基于具有PHA合成能力的菌群，在 底物充盈阶段可以快速摄取底物以PHA形式存储于细胞中，故在充盈末期此类 菌群的沉降性能必然优于不具备PHA合成能力或合成能力较弱的PHA富集菌。

发明内容

本发明的目的在于解决现有的PHA的生产方法成本高，以及采用活性污泥混 合菌群合成PHA存在着驯化时间长、反应器运行不稳定及合成的PHA含量低局限 性的问题，而提供了好氧动态排水法用于快速驯化活性污泥混合菌群制备聚羟基 烷酸酯的方法，其不仅可以节约时间成本，而且提高了混合菌群中PHA的含量。

本发明的好氧动态排水法用于快速驯化活性污泥混合菌群制备聚羟基烷酸 酯的方法，具体步骤如下：

一、取活性污泥于高径比为10:1的SBR反应器内，使反应器内污泥浓度达到 3000～5000mg/L；

二、以6～12h为一个运行周期，运行SBR反应器，所述的SBR反应器一个周 期的运行过程如下：首先进行第一次进水，在第一次进水完成后，在SBR反应器 的温度为20℃～25℃条件下，开始曝气，在SBR反应器内溶解氧从2～3mg/L跃增 到6～7mg/L后，停止曝气，然后进行沉淀3～5min后，排水；再进行第二次进水， 持续曝气5～11h，沉淀30min后，排水；其中，第一次进的水含有碳源、氮源和 磷源，其化学需氧量为1000～5000mg/L，且底物碳、氮和磷元素的浓度满足C:N:P= （110～90）:（7～5）:1；第二次的进水只含有氮源不含碳源和磷源；其中，所述 的碳源为小分子有机酸，所述的排水的排水比均为1:1；

三、按步骤二的运行周期操作，以每天2～4个运行周期，运行SBR反应器， 污泥停留时间为1～10天，收集每天排出的泥水混合液；

四、将收集的泥水混合液置于批次反应器中静置后，去除批次反应器一半体 积的上清液，收集沉淀物，加入与去除上清液等体积的碳源，然后进行曝气，在 反应器内溶解氧含量从2～3mg/L跃增至6～7mg/L后，停止曝气；

五、重复步骤四的操作6～8次，即完成快速驯化混合活性污泥制备聚羟基烷 酸酯的方法。

所述的活性污泥为市政污泥；

所述的小分子有机酸为乙酸、丙酸或丁酸；

步骤四中所述的碳源为小分子有机酸。

本发明与现有混合菌群合成PHA的工艺相比，有如下优点：

本发明在接种活性污泥后，活性污泥的活性驯化期与PHA菌的筛选富集同步 进行，不需要单独考虑污泥恢复期，从而缩短了合成PHA的周期；本发明在常温 下通过监测溶解氧和增加一次进水沉淀和排水以实现PHA富集阶段的快速驯化， 从而对活性污泥进行强制筛选，且周期多、合成速度快，有助于实现污泥的资源 化。

本发明在活性污泥驯化合成PHA工艺的过程中，提出采用好氧动态排水法， 即一个运行周期内利用微生物胞内物质存储PHA的自身特性进行两次进水、沉淀 和排水的运行模式，解决了混合菌群合成PHA驯化周期长的难题，实现了时间成 本与投入/产出比值的双提高，运行15天后PHA合成能力高于50%，运行30天后 PHA合成能力超过70%，远远高于传统PHA合成工艺所能达到的合成能力并大幅 度缩短驯化时间，留存下PHA合成能力强的目标菌群，对进一步促进PHA合成的 产业化应用起到了重要的作用。

附图说明

图1为本发明SBR反应器运行一个周期内，进水、曝气、沉淀和排水的不 同时间设置示意图；其中，①为进行，②为曝气，③为沉淀，④为排水；

图2为本发明中PHA合成量的运行效果图；其中，为SBR的PHA合 成量柱状图；为批次实验中PHA合成量柱状图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的好氧动态排水法用于快速驯化活性污泥混合 菌群制备聚羟基烷酸酯的方法，具体步骤如下：

一、取活性污泥于高径比为10:1的SBR反应器内，使反应器内污泥浓度达到 3000～5000mg/L；

二、以6～12h为一个运行周期，运行SBR反应器，所述的SBR反应器一个周 期的运行过程如下：首先进行第一次进水，在第一次进水完成后，在SBR反应器 的温度为20℃～25℃条件下，开始曝气，在SBR反应器内溶解氧从2～3mg/L跃增 到6～7mg/L后，停止曝气，然后进行沉淀3～5min后，排水；再进行第二次进水， 持续曝气5～11h，沉淀30min后，排水；其中，第一次进的水含有碳源、氮源和 磷源，其化学需氧量为1000～5000mg/L，且底物碳、氮和磷元素的浓度满足C:N:P= （110～90）:（7～5）:1；第二次的进水只含有氮源不含碳源和磷源；其中，所述 的碳源为小分子有机酸，所述的排水的排水比均为1:1；

三、按步骤二的运行周期操作，以每天2～4个运行周期，运行SBR反应器， 污泥停留时间为1～10天，收集每天排出的泥水混合液；

四、将收集的泥水混合液置于批次反应器中静置后，去除批次反应器一半体 积的上清液，收集沉淀物，加入与去除上清液等体积的碳源，然后进行曝气，在 反应器内溶解氧含量从2～3mg/L跃增至6～7mg/L后，停止曝气；

五、重复步骤四的操作6～8次，即完成快速驯化混合活性污泥制备聚羟基烷 酸酯的方法。

本实施方式步骤二中所述的第一次进水除了含有碳源、氮源和磷源外，还有 MgSO₄溶液、CaCl₂溶液、EDTA溶液和微量元素；

每1L第一次进的水中含有浓度为40mg/L的MgSO₄溶液、浓度为30mgL 的CaCl₂溶液和浓度为20mg/L的EDTA溶液；

每1L第一次进的水中含有1mL的微量元素，所述的微量元素是由浓度为 0.3mg/L的H₃BO₃溶液、浓度为0.3mg/L的CoCl₂溶液、浓度为0.06mg/L的 CuSO₄溶液、浓度为3mg/L的FeCl₃·6H₂O溶液、浓度为0.24mg/L的 ZnSO₄·7H₂O溶、浓度为0.24mg/L的MnCl₂·H₂O溶液和浓度为0.12mg/L的 Na₂MoO₄·2H₂O溶液配制而成。

本实施方式步骤二中所述的化学需氧量为1000～5000mg/L是指碳源的化学 需氧量。

本实施方式所述的SBR反应器还需满足以下条件：在SBR反应器底部安装 曝气装置并设置排泥口，通过底部曝气产生的上升气流实现泥水混合均匀，中部 设排水口，顶部设进水口，采用蠕动泵连续抽吸进水。须用电磁阀排水装置，保 证排水过程中对活性污泥的选择压，每次排水/进水的比率为50%。

本实施方式在接种活性污泥后，活性污泥的活性驯化期与PHA菌的筛选富集 同步进行，不需要单独考虑污泥恢复期，从而缩短了合成PHA的周期；本实施方 式在常温下通过监测溶解氧和增加一次进水沉淀和排水以实现PHA富集阶段的 快速驯化，从而对活性污泥进行强制筛选，且周期多、合成速度快，有助于实现 污泥的资源化。

本实施方式在活性污泥驯化合成PHA工艺的过程中，提出采用好氧动态排水 法（ADD），即一个运行周期内根据微生物体内PHA的合成规律进行两次进水、 沉淀和排水的运行模式，解决了混合菌群合成PHA驯化周期长的难题，实现了时 间成本与投入/产出比值的双提高，运行15天后PHA合成能力高于50%，运行30 天后PHA合成能力超过70%，远远高于传统PHA合成工艺所能达到的合成能力并 大幅度缩短驯化时间，留存下PHA合成能力强的目标菌群，对进一步促进PHA 合成的产业化应用起到了重要的作用。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点在于：步骤二中所述 的在反应器的温度为23℃条件下，开始曝气。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同点在于：所述的碳 源均为小分子有机酸。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点在于：步骤 二中所述的小分子有机酸为乙酸盐、丙酸盐或丁酸盐。其它与具体实施方式一至 三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点在于：步骤 二中所述的以8～10h为一个运行周期。其它与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点在于：步骤 二中所述的以9h为一个运行周期。其它与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同点在于：步骤 二中所述的化学需氧量为1000～4000mg/L。其它与具体实施方式一至六之一相 同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同点在于：步骤 二中所述的化学需氧量为1000～3000mg/L。其它与具体实施方式一至七之一相 同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同点在于：步骤 二中所述的化学需氧量为2000mg/L。其它与具体实施方式一至八之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同点在于：步骤 二中所述的进行第二次进水，持续曝气6～10h。其它与具体实施方式一至九之一 相同。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十之一不同点在于：步 骤二中所述的进行第二次进水，持续曝气7～9h。其它与具体实施方式一至十之 一相同。

具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一至十一之一不同点在于： 步骤二中所述的进行第二次进水，持续曝气8h。其它与具体实施方式一至十一 之一相同。

具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式一至十二之一不同点在于： 步骤二中所述的底物碳、氮和磷元素的浓度满足C:N:P=100:6:1。其它与具体实 施方式一至十二之一相同。

具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式一至十三之一不同点在于： 步骤三中所述的污泥停留时间为1～8天。其它与具体实施方式一至十三之一相 同。

具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式一至十四之一不同点在于： 步骤三中所述的污泥停留时间为1～6天。其它与具体实施方式一至十四之一相 同。

具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式一至十五之一不同点在于： 步骤三中所述的污泥停留时间为1～4天。其它与具体实施方式一至十五之一相 同。

具体实施方式十七：本实施方式与具体实施方式一至十六之一不同点在于： 步骤三中所述的污泥停留时间为1～3天。其它与具体实施方式一至十六之一相 同。

具体实施方式十八：本实施方式与具体实施方式一至十七之一不同点在于： 步骤三中所述的污泥停留时间为2天。其它与具体实施方式一至十七之一相同。

本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式 的组合同样也可以实现发明的目的。

通过以下实施例验证本发明的有益效果：

本实施例的好氧动态排水法用于快速驯化活性污泥混合菌群制备聚羟基烷 酸酯的方法，具体步骤如下：

一、取文昌污水处理厂的二沉池污泥于高径比为10:1、有效体积为4L的SBR 反应器内，使反应器内污泥浓度达到3000～5000mg/L；所述的SBR反应器还需满 足以下条件：在SBR反应器底部安装曝气装置并设置排泥口，通过底部曝气产生 的上升气流实现泥水混合均匀，中部设排水口，顶部设进水口，采用蠕动泵连续 抽吸进水。须用电磁阀排水装置，保证排水过程中对活性污泥的选择压，每次排 水/进水的比率为50%；

二、以6～12h为一个运行周期，运行SBR反应器，所述的SBR反应器运行过 程如下：第一次进乙酸钠溶液、氯化铵溶液、磷酸二氢钾溶液、MgSO₄溶液、 CaCl₂溶液、EDTA溶液和微量元素完成后，在反应器的温度为20℃～25℃条件下， 开始曝气，反应器进入底物充盈的阶段，实时监测反应器内溶解氧(DO)含量，在 SBR反应器内溶解氧(DO)含量突然增高，即从开始曝气的2～3mg/L达到6～7mg/L 后，停止曝气，进行快速沉淀4min后，立即排水；然后进行第二次进水，持续曝 气5～11h，沉淀30min后排水；其中，第一次进水的化学需氧量为1000～2000mg/L， 且底物碳、氮和磷元素的浓度满足C:N:P=100:6:1；第二次进水补充只含有氮元 素不含碳源的自来水以维持微生物生长所需，确保不会因第一次排出氮素而抑制 微生物的生长；其中，所述的排水比均为1:1；

三、以每天2～4个运行周期，运行SBR反应器，污泥停留时间（SRT）为10 天，收集每天排出的泥水混合液；

四、将收集的泥水混合液置入500mL烧杯中静置后，沉淀后排出上清液 250mL，投加250mL碳源（碳源为小分子有机酸，不含N、P营养物质），开始曝 气已消耗掉反应器内的营养物质，待耗尽，去除上清液，加入碳源，然后进行曝 气，在批次反应器内溶解氧含量从3mg/L左右突然跃增达到6～7mg/L后，停止曝 气；

五、重复步骤四的操作6～8次，即完成快速驯化混合活性污泥制备聚羟基烷 酸酯的方法。

本实施例步骤二中所述的第一次进水中的MgSO₄溶液、CaCl₂溶液、EDTA 溶液和微量元素加入量及配比如下：

每1L第一次进的水中含有浓度为40mg/L的MgSO₄溶液、浓度为30mgL 的CaCl₂溶液和浓度为20mg/L的EDTA溶液；

每1L第一次进的水中含有1mL/L的微量元素，所述的微量元素是由浓度为 0.3mg/L的H₃BO₃溶液、浓度为0.3mg/L的CoCl₂溶液、浓度为0.06mg/L的 CuSO₄溶液、浓度为3mg/L的FeCl₃·6H₂O溶液、浓度为0.24mg/L的 ZnSO₄·7H₂O溶、浓度为0.24mg/L的MnCl₂·H₂O溶液和浓度为0.12mg/L的 Na₂MoO₄·2H₂O溶液配制而成；

本实施例的PHA合成量的运行效果图如图2所示，其中PHA含量的单位是 PHA干重占细胞干重的百分比(wt%)。通过本实施例中的工艺，在批次实验中可 使得PHA产量在接种后15天内开始显著升高至50wt%以上，运行20天后PHA 产量超过60%，并于运行后30天达到稳定，PHA含量达到70wt%以上。