剩余活性污泥中的微生物利用實際廢液合成聚羥基烷酸酯.pdf

1、塑料制品是人們日常生活和工農業(yè)生產的必需品。廣為使用的石油基塑料造成了嚴重的環(huán)境污染，消耗了大量不可再生資源。聚羥基烷酸酯（Polyhydroxyalkanoates, PHA）是一種生物制備型的環(huán)境友好塑料，可完全生物降解，具有和傳統塑料相近的物化性質和加工特性，所需底物為可再生有機質。因此 PHA是石油基塑料的理想替代品，具有廣闊應用前景。純菌種合成PHA是目前工業(yè)化制備 PHA的主流。高昂的生產成本制約了 PHA作為日常用品得到廣

2、泛應用。此外，市政廢水處理廠每天產生大量剩余污泥，污泥處置費用高。選擇廉價的、可再生且來源廣泛的廢物作為 PHA合成用底物、利用活性污泥中的混合菌群作接種體合成PHA、優(yōu)化PHA合成工藝的運行條件，都有利于大幅降低PHA生產成本，實現廢物和剩余污泥的減量化和資源化。
　　本研究的目的即為同時實現 PHA生產低成本化，以及廢物及剩余污泥資源化。主要研究內容和結論如下：
　　通過剩余污泥利用人工廢水合成 PHA的小試研究，考察了

3、影響 PHA產量、底物轉化率和 PHA單體組分含量的工藝參數。結果表明，好氧、高碳氮比、多次投加碳源底物、弱堿性條件有助于提高 PHA產量。在此條件下，活性污泥合成 PHA的產量與純菌種合成 PHA的產量及物化性質接近，且 PHA合成產率高于純菌種。通過工藝調控，活性污泥可以合成含有特定單體組分的PHA。好氧時，短鏈脂肪酸中碳原子的數目決定聚(-β-羥基丁酸-co-β-羥基戊酸)（Poly(β-hydroxybutyrate-co-β-

4、hydroxyvalerate)，PHBV）中的單體組分。溶解氧濃度（dissolved oxygen, DO）降低、pH值升高，PHBV共聚物中的羥基戊酰含量（hydroxyvalerate％, HV%）會增加，且與碳源類型無關；污泥來源、碳源與氮磷濃度比的變化會影響羥基烷酸（hydroxyalkanoate, HA）單體組分的含量。
　　結合上述試驗結果，采用批式好氧動態(tài)底物投加工藝，對剩余污泥作為接種體利用污泥消化液中的揮發(fā)

5、性有機酸（volatile fatty acids, VFAs）以及食品廢液合成 PHA進行了工藝優(yōu)化研究。通過投加鎂鹽形成鳥糞石沉淀，污泥消化液中過量的氮磷得到去除和回收，以提高污泥消化液的碳氮比。堿性條件和較高的消化溫度可以提高污泥消化液中的VFAs產量以及氨氮去除率。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的最大產量可達到56.5%（占 VSS比重）。活性污泥和純菌種利用麥芽廢物作碳源合

6、成的 PHA產量比其它種類的食品廢液都高。隨后對剩余污泥利用實際廢液合成的PHA產物進行了物化加工性質分析。
　　為了優(yōu)化活性污泥合成PHA的單體組分，在總結了純菌種合成PHA的代謝機理的基礎上，模擬了活性污泥合成 PHA的生化代謝途徑。為了預測活性污泥合成 PHA的產量和產率，通過改進活性污泥三號模型（Activated Sludge Modeling3, ASM3模型）和優(yōu)化 PHA合成工藝參數，建立了活性污泥合成PHA的反應

7、動力學模型。并通過小試試驗驗證了該模型的準確性。研究結果表明，污泥在厭氧時攝取乙酸會合成 HV的代謝機理是，通過“琥珀酰-CoA→丙酰-CoA”反應，部分乙酸轉化為丙酰-CoA，成為PHBV中HV的前體物。外界工藝條件改變，會影響活性污泥中的混合菌群的結構和代謝途徑，進而改變活性污泥合成的 HA單體組分。通過試驗驗證，活性污泥合成 PHA的動力學模型可以較為準確地預測PHA的產量、產率、底物轉化率和細胞生長量。
　　剩余污泥利用污