好氧動態排水法用于快速馴化活性污泥混合菌群制備聚羥基烷酸酯的方法
【專利摘要】好氧動態排水法用于快速馴化活性污泥混合菌群制備聚羥基烷酸酯的方法，它涉及制備聚羥基烷酸酯的方法。本發明要解決現有的活性污泥混合菌群合成PHA馴化時間長、反應器運行不穩定及合成的PHA含量低的問題。本發明的方法為：一、取活性污泥置于SBR反應器中；二、以6～12h為一個運行周期，其中包含2次進水，沉淀，排水，排水比為1:1，第一次的進水包括碳源和各種營養物質，而第二次只補充氮營養；三、以每天2～4個周期運行，污泥停留時間為1～10天，收集泥水混合液；四、進行批次實驗，排出一半上清液，補充等量碳源，曝氣，沉淀，排水；如此重復6～8次，即完成。本發明屬于可生物降解塑料合成領域。
【專利說明】好氧動態排水法用于快速馴化活性污泥混合菌群制備聚羥基烷酸酯的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于市政污泥資源利用與生物可降解塑料合成領域，具體涉及采用SBR好氧工藝馴化具有聚羥基烷酸酯(PHAs)合成能力的活性污泥混合菌群。
【背景技術】
[0002]聚羥基燒酸脂(Polyhydroxyalkanoates,簡稱PHAs或PHA)是一類由多種原核微生物在不均衡營養條件下合成，并存儲于細胞內的脂類聚合物，在微生物代謝中起到積累碳源，平衡細胞內外離子的作用。其化學、物理性質與化學合成塑料相似，并且PHA可以在自然界中被微生物完全 分解利用，是一種很有應用前景和開發價值的新型環保材料，有望解決目前普遍存在的白色污染問題。
[0003]目前PHA的生產主要以純菌培養發酵為主，且往往以高純度糖類為基質，培養條件苛刻，致使PHA生產成本居高不下。活性污泥法是城市污水處理廠的生物處理工藝中的核心工藝，活性污泥是包含了細菌、真菌、原生動物、后生動物的復雜微生物的體系。已有研究表明活性污泥污水處理的工藝中，具備PHA合成能力的菌類普遍存在，說明利用混合菌群進行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，但同時也存在著馴化時間長、反應器運行不穩定及合成的PHA含量低等局限性，成為其產業化生產的瓶頸。本發明中采用快速沉淀動態排水的方法，原理是基于具有PHA合成能力的菌群，在底物充盈階段可以快速攝取底物以PHA形式存儲于細胞中，故在充盈末期此類菌群的沉降性能必然優于不具備PHA合成能力或合成能力較弱的PHA富集菌。

【發明內容】

[0004]本發明的目的在于解決現有的PHA的生產方法成本高，以及采用活性污泥混合菌群合成PHA存在著馴化時間長、反應器運行不穩定及合成的PHA含量低局限性的問題，而提供了好氧動態排水法用于快速馴化活性污泥混合菌群制備聚羥基烷酸酯的方法，其不僅可以節約時間成本，而且提高了混合菌群中PHA的含量。
[0005]本發明的好氧動態排水法用于快速馴化活性污泥混合菌群制備聚羥基烷酸酯的方法，具體步驟如下:
[0006]一、取活性污泥于高徑比為10:1的SBR反應器內，使反應器內污泥濃度達到3000 ~5000mg/L ；
[0007]二、以6~12h為一個運行周期，運行SBR反應器，所述的SBR反應器一個周期的運行過程如下:首先進行第一次進水，在第一次進水完成后，在SBR反應器的溫度為20°C~25 °C條件下，開始曝氣，在SBR反應器內溶解氧從2~3mg/L躍增到6~7mg/L后，停止曝氣，然后進行沉淀3~5min后,排水；再進行第二次進水,持續曝氣5~Ilh,沉淀30min后，排水；其中，第一次進的水含有碳源、氮源和磷源，其化學需氧量為1000~5000mg/L，且底物碳、氮和磷元素的濃度滿足C:N:P= (110~90): (7~5):1 ;第二次的進水只含有氮源不含碳源和磷源；其中，所述的碳源為小分子有機酸，所述的排水的排水比均為1:1;
[0008]三、按步驟二的運行周期操作，以每天2~4個運行周期，運行SBR反應器，污泥停留時間為I~10天，收集每天排出的泥水混合液；
[0009]四、將收集的泥水混合液置于批次反應器中靜置后，去除批次反應器一半體積的上清液，收集沉淀物，加入與去除上清液等體積的碳源，然后進行曝氣，在反應器內溶解氧含量從2~3mg/L躍增至6~7mg/L后,停止曝氣；
[0010]五、重復步驟四的操作6~8次，即完成快速馴化混合活性污泥制備聚羥基烷酸酯的方法。 [0011 ] 所述的活性污泥為市政污泥；
[0012]所述的小分子有機酸為乙酸、丙酸或丁酸；
[0013]步驟四中所述的碳源為小分子有機酸。
[0014]本發明與現有混合菌群合成PHA的工藝相比，有如下優點:
[0015]本發明在接種活性污泥后，活性污泥的活性馴化期與PHA菌的篩選富集同步進行，不需要單獨考慮污泥恢復期，從而縮短了合成PHA的周期；本發明在常溫下通過監測溶解氧和增加一次進水沉淀和排水以實現PHA富集階段的快速馴化，從而對活性污泥進行強制篩選，且周期多、合成速度快，有助于實現污泥的資源化。
[0016]本發明在活性污泥馴化合成PHA工藝的過程中，提出采用好氧動態排水法，即一個運行周期內利用微生物胞內物質存儲PHA的自身特性進行兩次進水、沉淀和排水的運行模式，解決了混合菌群合成PHA馴化周期長的難題，實現了時間成本與投入/產出比值的雙提聞，運彳丁 15天后PHA合成能力聞于50%,運彳丁 30天后PHA合成能力超過70%,遠遠聞于傳統PHA合成工藝所能達到的合成能力并大幅度縮短馴化時間，留存下PHA合成能力強的目標菌群，對進一步促進PHA合成的產業化應用起到了重要的作用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發明SBR反應器運行一個周期內，進水、曝氣、沉淀和排水的不同時間設置示意圖；其中，①為進行，②為曝氣，③為沉淀，④為排水；
[0018]圖2為本發明中PHA合成量的運行效果圖；其中，□:為SBR的PHA合成量柱狀圖；為批次實驗中PHA合成量柱狀圖。
【具體實施方式】
[0019]【具體實施方式】一:本實施方式的好氧動態排水法用于快速馴化活性污泥混合菌群制備聚羥基烷酸酯的方法，具體步驟如下:
[0020]一、取活性污泥于高徑比為10:1的SBR反應器內，使反應器內污泥濃度達到3000 ~5000mg/L ；
[0021]二、以6~12h為一個運行周期，運行SBR反應器，所述的SBR反應器一個周期的運行過程如下:首先進行第一次進水，在第一次進水完成后，在SBR反應器的溫度為20°C~25 °C條件下，開始曝氣，在SBR反應器內溶解氧從2~3mg/L躍增到6~7mg/L后，停止曝氣，然后進行沉淀3~5min后,排水；再進行第二次進水,持續曝氣5~Ilh,沉淀30min后，排水；其中，第一次進的水含有碳源、氮源和磷源，其化學需氧量為1000~5000mg/L，且底物碳、氮和磷元素的濃度滿足C:N:P= (110~90): (7~5):1 ;第二次的進水只含有氮源不含碳源和磷源；其中，所述的碳源為小分子有機酸，所述的排水的排水比均為1:1 ;
[0022]三、按步驟二的運行周期操作，以每天2~4個運行周期，運行SBR反應器，污泥停留時間為I~10天，收集每天排出的泥水混合液；
[0023]四、將收集的泥水混合液置于批次反應器中靜置后，去除批次反應器一半體積的上清液，收集沉淀物，加入與去除上清液等體積的碳源，然后進行曝氣，在反應器內溶解氧含量從2~3mg/L躍增至6~7mg/L后,停止曝氣；
[0024]五、重復步驟四的操作6~8次，即完成快速馴化混合活性污泥制備聚羥基烷酸酯的方法。
[0025]本實施方式步驟二中所述的第一次進水除了含有碳源、氮源和磷源外，還有MgSO4溶液、CaCl2溶液、EDTA溶液和微量元素；
[0026]每IL第一次進的水中含有濃度為40mg/L的MgSO4溶液、濃度為30mgL的CaCl2溶液和濃度為20mg/L的EDTA溶液；
[0027]每IL第一次進的水中含有ImL的微量元素，所述的微量元素是由濃度為0.3mg/L的H3BO3溶液、濃度為0.3mg/L的CoCl2溶液、濃度為0.06mg/L的CuSO4溶液、濃度為3mg/L 的 FeCl3.6H20 溶液、濃度為 0.24mg/L 的 ZnSO4.7H20 溶、濃度為 0.24mg/L 的 MnCl2.H2O溶液和濃度為0.12mg/L的Na2MoO4.2H20溶液配制而成。
[0028]本實施方式步驟二中所述的化學需氧量為1000~5000mg/L是指碳源的化學需氧量。
[0029]本實施方式所述的SBR反應器還需滿足以下條件:在SBR反應器底部安裝曝氣裝置并設置排泥口，通過底部曝氣產生的上升氣流實現泥水混合均勻，中部設排水口，頂部設進水口，采用蠕動泵連續抽吸進水。須用電磁閥排水裝置，保證排水過程中對活性污泥的選擇壓，每次排水/進水的比率為50%。
[0030]本實施方式在接種活性污泥后，活性污泥的活性馴化期與PHA菌的篩選富集同步進行，不需要單獨考慮污泥恢復期，從而縮短了合成PHA的周期；本實施方式在常溫下通過監測溶解氧和增加一次進水沉淀和排水以實現PHA富集階段的快速馴化，從而對活性污泥進行強制篩選，且周期多、合成速度快，有助于實現污泥的資源化。
[0031]本實施方式在活性污泥馴化合成PHA工藝的過程中，提出采用好氧動態排水法(ADD),即一個運行周期內根據微生物體內PHA的合成規律進行兩次進水、沉淀和排水的運行模式，解決了混合菌群合成PHA馴化周期長的難題，實現了時間成本與投入/產出比值的雙提高，運行15天后PHA合成能力高于50%，運行30天后PHA合成能力超過70%，遠遠高于傳統PHA合成工藝所能達到的合成能力并大幅度縮短馴化時間，留存下PHA合成能力強的目標菌群，對進一步促進PHA合成的產業化應用起到了重要的作用。
[0032]【具體實施方式】二:本實施方式與【具體實施方式】一不同點在于:步驟二中所述的在反應器的溫度為23°C條件下，開始曝氣。其它與【具體實施方式】一相同。
[0033]【具體實施方式】三:本實施方式與【具體實施方式】一或二不同點在于:所述的碳源均為小分子有機酸。其它與【具體實施方式】一或二相同。
[0034]【具體實施方式】四:本實施方式與【具體實施方式】一至三之一不同點在于:步驟二中所述的小分子有機酸為乙酸鹽、丙酸鹽或丁酸鹽。其它與【具體實施方式】一至三之一相同。
[0035]【具體實施方式】五:本實施方式與【具體實施方式】一至四之一不同點在于:步驟二中所述的以8~IOh為一個運行周期。其它與【具體實施方式】一至四之一相同。
[0036]【具體實施方式】六:本實施方式與【具體實施方式】一至五之一不同點在于:步驟二中所述的以9h為一個運行周期。其它與【具體實施方式】一至五之一相同。
[0037]【具體實施方式】七:本實施方式與【具體實施方式】一至六之一不同點在于:步驟二中所述的化學需氧量為1000~4000mg/L。其它與【具體實施方式】一至六之一相同。
[0038]【具體實施方式】八:本實施方式與【具體實施方式】一至七之一不同點在于:步驟二中所述的化學需氧量為1000~3000mg/L。其它與【具體實施方式】一至七之一相同。
[0039]【具體實施方式】九:本實施方式與【具體實施方式】一至八之一不同點在于:步驟二中所述的化學需氧量為2000mg/L。其它與【具體實施方式】一至八之一相同。
[0040]【具體實施方式】十:本實施方式與【具體實施方式】一至九之一不同點在于:步驟二中所述的進行第二次進水，持續曝氣6~10h。其它與【具體實施方式】一至九之一相同。
[0041]【具體實施方式】十一:本實施方式與【具體實施方式】一至十之一不同點在于:步驟二中所述的進行第二次進水，持續曝氣7~9h。其它與【具體實施方式】一至十之一相同。
[0042]【具體實施方式】十二:本實施方式與【具體實施方式】一至十一之一不同點在于:步驟二中所述的進行第二次進水，持續曝氣8h。其它與【具體實施方式】一至十一之一相同。
[0043]【具體實施方式】十三:本實施方式與【具體實施方式】一至十二之一不同點在于:步驟二中所述的底物碳、氮和磷元素的濃度滿足C:N:P=IOO:6:10其它與【具體實施方式】一至十二之一相同。
[0044]【具體實施方式】十四:本實施方式與【具體實施方式】一至十三之一不同點在于:步驟三中所述的污泥停留時間為I~8天。其它與【具體實施方式】一至十三之一相同。
[0045]【具體實施方式】十五:本實施方式與【具體實施方式】一至十四之一不同點在于:步驟三中所述的污泥停留時間為I~6天。其它與【具體實施方式】一至十四之一相同。
[0046]【具體實施方式】十六:本實施方式與【具體實施方式】一至十五之一不同點在于:步驟三中所述的污泥停留時間為I~4天。其它與【具體實施方式】一至十五之一相同。
[0047]【具體實施方式】十七:本實施方式與【具體實施方式】一至十六之一不同點在于:步驟三中所述的污泥停留時間為I~3天。其它與【具體實施方式】一至十六之一相同。
[0048]【具體實施方式】十八:本實施方式與【具體實施方式】一至十七之一不同點在于:步驟三中所述的污泥停留時間為2天。其它與【具體實施方式】一至十七之一相同。
[0049]本
【發明內容】
不僅限于上述各實施方式的內容，其中一個或幾個【具體實施方式】的組合同樣也可以實現發明的目的。
[0050]通過以下實施例驗證本發明的有益效果:
[0051]本實施例的好氧動態排水法用于快速馴化活性污泥混合菌群制備聚羥基烷酸酯的方法，具體步驟如下:
[0052]一、取文昌污水處理廠的二沉池污泥于高徑`比為10: 1、有效體積為4L的SBR反應器內，使反應器內污泥濃度達到3000~5000mg/L ;所述的SBR反應器還需滿足以下條件:在SBR反應器底部安裝曝氣裝置并設置排泥口，通過底部曝氣產生的上升氣流實現泥水混合均勻，中部設排水口，頂部設進水口，采用蠕動泵連續抽吸進水。須用電磁閥排水裝置，保證排水過程中對活性污泥的選擇壓，每次排水/進水的比率為50% ；
[0053]二、以6~12h為一個運行周期，運行SBR反應器，所述的SBR反應器運行過程如下:第一次進乙酸鈉溶液、氯化銨溶液、磷酸二氫鉀溶液、MgSO4溶液、CaCl2溶液、EDTA溶液和微量元素完成后，在反應器的溫度為20°C~25°C條件下，開始曝氣，反應器進入底物充盈的階段，實時監測反應器內溶解氧(DO)含量，在SBR反應器內溶解氧(DO)含量突然增高，即從開始曝氣的I~3mg/L達到6~7mg/L后,停止曝氣,進行快速沉淀4min后,立即排水；然后進行第二次進水，持續曝氣5~llh，沉淀30min后排水；其中，第一次進水的化學需氧量為1000~2000mg/L，且底物碳、氮和磷元素的濃度滿足C:N:P=100:6:1 ;第二次進水補充只含有氮元素不含碳源的自來水以維持微生物生長所需，確保不會因第一次排出氮素而抑制微生物的生長；其中，所述的排水比均為1:1 ;
[0054]三、以每天2~4個運行周期，運行SBR反應器，污泥停留時間(SRT)為10天，收集每天排出的泥水混合液；
[0055]四、將收集的泥水混合液置入500mL燒杯中靜置后,沉淀后排出上清液250mL,投加250mL碳源(碳源為小分子有機酸，不含N、P營養物質)，開始曝氣已消耗掉反應器內的營養物質，待耗盡，去除上清液，加入碳源，然后進行曝氣，在批次反應器內溶解氧含量從3mg/L左右突然躍增達到6~7mg/L后，停止曝氣；
[0056]五、重復步驟四的操作6~8次，即完成快速馴化混合活性污泥制備聚羥基烷酸酯的方法。
[0057]本實施例步 驟二中所述的第一次進水中的MgSO4溶液、CaCl2溶液、EDTA溶液和微量元素加入量及配比如下:
[0058]每IL第一次進的水中含有濃度為40mg/L的MgSO4溶液、濃度為30mgL的CaCl2溶液和濃度為20mg/L的EDTA溶液；
[0059]每IL第一次進的水中含有lmL/L的微量元素，所述的微量元素是由濃度為0.3mg/L的H3BO3溶液、濃度為0.3mg/L的CoCl2溶液、濃度為0.06mg/L的CuSO4溶液、濃度為3mg/L 的 FeCl3.6H20 溶液、濃度為 0.24mg/L 的 ZnSO4.7H20 溶、濃度為 0.24mg/L 的 MnCl2.H2O溶液和濃度為0.12mg/L的Na2MoO4.2H20溶液配制而成；
[0060]本實施例的PHA合成量的運行效果圖如圖2所示，其中PHA含量的單位是PHA干重占細胞干重的百分比(wt%)。通過本實施例中的工藝，在批次實驗中可使得PHA產量在接種后15天內開始顯著升高至50wt%以上，運行20天后PHA產量超過60%，并于運行后30天達到穩定，PHA含量達到70wt%以上。
【權利要求】
1.好氧動態排水法用于快速馴化活性污泥混合菌群制備聚羥基烷酸酯的方法，其特征在于它的具體步驟如下: 一、取活性污泥于高徑比為10:1的SBR反應器內，使反應器內污泥濃度達到3000~5000mg/L ； 二、以6~12h為一個運行周期，運行SBR反應器，所述的SBR反應器一個周期的運行過程如下:首先進行第一次進水，在第一次進水完成后，在SBR反應器的溫度為20°C~25°C條件下，開始曝氣，在SBR反應器內溶解氧從2~3mg/L躍增到6~7mg/L后，停止曝氣，然后進行沉淀3~5min,排水；再進行第二次進水,持續曝氣5~Ilh,沉淀30min后,排水；其中，第一次進的水含有碳源、氮源和磷源，其化學需氧量為1000~5000mg/L，且底物碳、氮和磷元素的濃度滿足C:N:P= (110~90): (7~5):1 ;第二次的進水只含有氮源不含碳源和磷源；其中，所述的碳源為小分子有機酸，所述的排水的排水比均為1:1 ; 三、按步驟二的運行周期操作，以每天2~4個運行周期，運行SBR反應器，污泥停留時間為I~10天，收集每天排出的泥水混合液； 四、將收集的泥水混合液置于批次反應器中靜置后，去除批次反應器一半體積的上清液，收集沉淀物，加入與去除上清液等體積的碳源，然后進行曝氣，在反應器內溶解氧含量從2~3mg/L躍增至6~7mg/L后,停止曝氣； 五、重復步驟四的操作6~8次，即完成快速馴化混合活性污泥制備聚羥基烷酸酯的方法。
2.根據權利要求1所述的好氧動態排水法用于快速馴化活性污泥混合菌群制備聚羥基烷酸酯的方法，其特征在于步驟一中所述的活性污泥為市政污泥。
3.根據權利要求1所述的好氧動態排水法用于快速馴化活性污泥混合菌群制備聚羥基烷酸酯的方法，其特征在于步驟二中所述的在SBR反應器的溫度為23°C條件下，開始曝`氣。
4.根據權利要求1所述的好氧動態排水法用于快速馴化活性污泥混合菌群制備聚羥基烷酸酯的方法，其特征在于步驟二中所述的小分子有機酸為乙酸鹽、丙酸鹽或丁酸鹽。
5.根據權利要求1所述的好氧動態排水法用于快速馴化活性污泥混合菌群制備聚羥基烷酸酯的方法，其特征在于步驟二中所述的以8~IOh為一個運行周期。
6.根據權利要求5所述的好氧動態排水法用于快速馴化活性污泥混合菌群制備聚羥基烷酸酯的方法，其特征在于步驟二中所述的以9h為一個運行周期。
7.根據權利要求1所述的好氧動態排水法用于快速馴化活性污泥混合菌群制備聚羥基烷酸酯的方法，其特征在于步驟二中所述的化學需氧量為2000~4000mg/L。
8.根據權利要求1所述的好氧動態排水法用于快速馴化活性污泥混合菌群制備聚羥基烷酸酯的方法，其特征在于步驟二中所述的進行第二次進水，持續曝氣7~9h。
9.根據權利要求1所述的好氧動態排水法用于快速馴化活性污泥混合菌群制備聚羥基烷酸酯的方法，其特征在于步驟二中所述的底物碳、氮和磷元素的濃度滿足C:N:P=100:6:1。
10.根據權利要求1所述的好氧動態排水法用于快速馴化活性污泥混合菌群制備聚羥基烷酸酯的方法，其特征在于步驟三中所述的污泥停留時間為3~7天。
【文檔編號】C12P7/62GK103667376SQ201310737985
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月27日 優先權日:2013年12月27日
【發明者】溫沁雪, 郭子瑞, 陳志強, 黃龍 申請人:哈爾濱工業大學