剩余活性污泥中的微生物利用实际废液合成聚羟基烷酸酯

论文摘要

塑料制品是人们日常生活和工农业生产的必需品。广为使用的石油基塑料造成了严重的环境污染,消耗了大量不可再生资源。聚羟基烷酸酯（Polyhydroxyalkanoates, PHA）是一种生物制备型的环境友好塑料,可完全生物降解,具有和传统塑料相近的物化性质和加工特性,所需底物为可再生有机质。因此PHA是石油基塑料的理想替代品,具有广阔应用前景。纯菌种合成PHA是目前工业化制备PHA的主流。高昂的生产成本制约了PHA作为日常用品得到广泛应用。此外,市政废水处理厂每天产生大量剩余污泥,污泥处置费用高。选择廉价的、可再生且来源广泛的废物作为PHA合成用底物、利用活性污泥中的混合菌群作接种体合成PHA、优化PHA合成工艺的运行条件,都有利于大幅降低PHA生产成本,实现废物和剩余污泥的减量化和资源化。本研究的目的即为同时实现PHA生产低成本化,以及废物及剩余污泥资源化。主要研究内容和结论如下:通过剩余污泥利用人工废水合成PHA的小试研究,考察了影响PHA产量、底物转化率和PHA单体组分含量的工艺参数。结果表明,好氧、高碳氮比、多次投加碳源底物、弱碱性条件有助于提高PHA产量。在此条件下,活性污泥合成PHA的产量与纯菌种合成PHA的产量及物化性质接近,且PHA合成产率高于纯菌种。通过工艺调控,活性污泥可以合成含有特定单体组分的PHA。好氧时,短链脂肪酸中碳原子的数目决定聚（-β-羟基丁酸-co-β-羟基戊酸）（Poly（β-hydroxybutyrate-co-β-hydroxyvalerate）,PHBV）中的单体组分。溶解氧浓度（dissolved oxygen, DO）降低、pH值升高,PHBV共聚物中的羟基戊酰含量（hydroxyvalerate%, HV%）会增加,且与碳源类型无关;污泥来源、碳源与氮磷浓度比的变化会影响羟基烷酸（hydroxyalkanoate, HA）单体组分的含量。结合上述试验结果,采用批式好氧动态底物投加工艺,对剩余污泥作为接种体利用污泥消化液中的挥发性有机酸（volatile fatty acids, VFAs）以及食品废液合成PHA进行了工艺优化研究。通过投加镁盐形成鸟粪石沉淀,污泥消化液中过量的氮磷得到去除和回收,以提高污泥消化液的碳氮比。碱性条件和较高的消化温度可以提高污泥消化液中的VFAs产量以及氨氮去除率。污泥消化液中VFAs的主要成分是乙酸。利用剩余污泥消化液中的VFAs合成的PHA的最大产量可达到56.5%（占VSS比重）。活性污泥和纯菌种利用麦芽废物作碳源合成的PHA产量比其它种类的食品废液都高。随后对剩余污泥利用实际废液合成的PHA产物进行了物化加工性质分析。为了优化活性污泥合成PHA的单体组分,在总结了纯菌种合成PHA的代谢机理的基础上,模拟了活性污泥合成PHA的生化代谢途径。为了预测活性污泥合成PHA的产量和产率,通过改进活性污泥三号模型（Activated Sludge Modeling 3, ASM3模型）和优化PHA合成工艺参数,建立了活性污泥合成PHA的反应动力学模型。并通过小试试验验证了该模型的准确性。研究结果表明,污泥在厌氧时摄取乙酸会合成HV的代谢机理是,通过“琥珀酰-CoA→丙酰-CoA”反应,部分乙酸转化为丙酰-CoA,成为PHBV中HV的前体物。外界工艺条件改变,会影响活性污泥中的混合菌群的结构和代谢途径,进而改变活性污泥合成的HA单体组分。通过试验验证,活性污泥合成PHA的动力学模型可以较为准确地预测PHA的产量、产率、底物转化率和细胞生长量。剩余污泥利用污泥消化液合成PHA工艺的工业化,有助于实现实际废液和剩余污泥的资源化,推动PHA作为普通包装材料得到应用,具有良好的经济效益和社会价值。相对于纯菌种以及活性污泥利用人工废水合成PHA,剩余污泥利用污泥消化液合成PHA工艺,可以节约的成本包括:合成PHA的碳源成本、PHA合成反应构筑物建造和运行成本、剩余污泥处置成本、微生物筛选/富集培养成本,同时得到鸟粪石结晶沉淀副产品。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 PHA合成概述
• 1.2.1 PHA的构成及其物化性质
• 1.2.2 PHA的生物合成方式
• 1.2.3 细胞内储存PHA的微生物学意义
• 1.2.4 PHA的后续分离提取和细胞内分析手段
• 1.3 纯菌种合成PHA的研究现状
• 1.3.1 碳源种类的选择
• 1.3.2 纯菌种筛选和改造
• 1.4 活性污泥合成PHA的研究及应用现状
• 1.4.1 合成成本分析
• 1.4.2 实际废物作碳源底物
• 1.4.3 工艺运行策略
• 1.4.4 工艺控制条件
• 1.4.5 PHA单体组分调控
• 1.4.6 活性污泥中可合成PHA的微生物菌群鉴定
• 1.5 论文主要研究内容、目的和意义
• 1.5.1 论文主要研究内容
• 1.5.2 课题研究目的和意义
• 第2章 试验材料和方法
• 2.1 影响PHA产量和组分的工艺因素的试验设计
• 2.1.1 好氧动态底物投加方式
• 2.1.2 碳氮比
• 2.1.3 pH值
• 2.1.4 溶解氧
• 2.2 碱性污泥消化液作碳源合成PHA的试验设计
• 2.2.1 剩余污泥来源及其性质
• 2.2.2 不同pH值和消化温度下污泥消化产生VFAs的小试试验
• 2.2.3 污泥消化液中的氮和磷的回收
• 2.2.4 剩余污泥利用污泥消化液合成PHA的批式反应
• 2.3 食品废液作碳源合成PHA的试验设计
• 2.3.1 微生物来源
• 2.3.2 食品废液组成
• 2.3.3 PHA合成条件控制因素
• 2.4 剩余活性污泥合成PHA机理的试验设计
• 2.5 PHA物化性质的分析和测定
• 2.6 分析检测项目和方法
• 第3章 影响剩余污泥合成PHA产量和组分的工艺参数
• 3.1 碳源类型对PHBV产量和HV单体组分的影响
• 3.1.1 碳源类型对PHBV中HV单体组分的影响
• 3.1.2 碳源类型对PHBV产量的影响
• 3.2 碳源与氨氮浓度比对PHBV产量和HV单体含量的影响
• 3.2.1 C:N对PHBV产量的影响
• 3.2.2 C:N对PHBV中HV单体组分含量的影响
• 3.3 pH值对PHBV中HV单体组分的影响
• 3.4 溶解氧和污泥来源对PHBV产量和HV单体组分的影响
• 3.4.1 溶解氧对PHA产量和组分的影响
• 3.4.2 污泥来源对PHA中HA单体组分的影响
• 3.5 好氧动态投加底物方式下的PHA产量
• 3.6 本章小结
• 第4章 剩余污泥利用实际废物合成PHA
• 4.1 可行性分析
• 4.1.1 未驯化污泥作为PHA合成的接种体的可行性
• 4.1.2 实际废液作为PHA合成碳源的可行性
• 4.1.3 PHA合成工艺选型与运行条件优化
• 4.2 剩余活性污泥利用碱性污泥消化液中的VFAs合成PHA
• 4.2.1 不同pH值和消化温度下VFAs的产量
• 4.2.2 剩余污泥消化液中过量的氮的去除
• 4.2.3 剩余污泥消化液中过量的磷和部分氮的回收处理
• 4.2.4 污泥消化液中的VFAs作碳源合成PHA
• 4.2.5 剩余污泥利用污泥消化液合成PHA的成本分析
• 4.3 食品废液作碳源合成PHA
• 4.3.1 活性污泥合成PHA
• 4.3.2 Alcaligenes latus合成PHA
• 4.3.3 Staphylococcus epidermidis合成PHA
• 4.4 剩余污泥合成PHA产物的物化特性
• 4.4.1 利用食品废液合成PHA的产物特性
• 4.4.2 利用污泥消化液合成PHA的产物特性
• 4.5 本章小结
• 第5章 剩余活性污泥合成PHA的机理
• 5.1 投加碳源类型对PHA合成代谢的影响
• 5.2 溶解氧水平对PHA合成代谢的影响
• 5.2.1 厌氧-好氧模式下的PHA合成代谢途径
• 5.2.2 有氧-好氧模式下的PHA合成代谢途径
• 5.2.3 好氧动态底物投加代谢途径
• 5.3 动态底物投加工艺下活性污泥合成PHA的动力学模型
• 5.3.1 代谢模式
• 5.3.2 动力学模型参数
• 5.3.3 动力学模型建立
• 5.3.4 PHA合成动力学模型参数的试验验证
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历