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文檔簡介
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
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