利用活性污泥混合菌群合成聚羥基烷酸脂的研究.pdf

1、聚羥基烷酸脂（PHA）是一類可由微生物在不均衡的營(yíng)養(yǎng)條件下合成的脂類物質(zhì)，在微生物代謝中起到積累碳源、平衡細(xì)胞內(nèi)外離子的作用。PHA的物理特性類似于聚丙烯等化學(xué)塑料，無(wú)毒無(wú)害，在自然界可完全降解，是可望替代化學(xué)塑料、徹底解決白色污染的良好材料，但是較高的成本阻礙了PHA的大規(guī)模應(yīng)用，使用混合菌種如活性污泥代替純菌，使用含小分子脂肪酸的廢水代替葡萄糖、果糖等底物，可以在降低PHA的生產(chǎn)成本的同時(shí)，達(dá)到污泥減量、廢水資源化等目的。PHA的合

2、成菌種類很多，利用活性污泥作為混合菌來(lái)源合成PHA受到了廣泛關(guān)注，然而目前利用活性污泥合成PHA的工藝方式還比較復(fù)雜，往往將富集和馴化污泥合成 PHA分成兩個(gè)階段或者分別在兩個(gè)反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行，總工藝時(shí)間較長(zhǎng)，PHA合成效率還不能令人滿意。
　　本課題的研究目的是通過(guò)馴化污水廠剩余污泥以小分子脂肪酸為底物合成PHA，尋找簡(jiǎn)易可行的污泥馴化和PHA的合成工藝，簡(jiǎn)化操作程序，探索馴化活性污泥合成PHA的影響因素，通過(guò)簡(jiǎn)單的工藝和簡(jiǎn)單的馴化

3、方式，序批式馴化污泥合成PHA，實(shí)現(xiàn)廢水和剩余污泥的資源化回收利用和PHA合成的多重目的。
　　試驗(yàn)以乙酸鈉代替乙酸為唯一碳源，接種污水處理廠的剩余污泥，使用序批式反應(yīng)器合成PHA。通過(guò)不同的啟動(dòng)和馴化方式影響PHA合成，研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)厭氧-好氧運(yùn)行7-15天恢復(fù)污泥的活性，在均衡比例COD:N或COD:P的基礎(chǔ)上，以一定的梯度（10％~20%）減少N或P的濃度形成不均衡的營(yíng)養(yǎng)條件，經(jīng)過(guò)10-15天的馴化，可使活性污泥在厭氧條件下

4、合成PHA；當(dāng)通過(guò)好氧運(yùn)行7-10天恢復(fù)污泥活性，然后在厭氧-好氧交替運(yùn)行條件下以一定梯度（10%~20%）減少N或P濃度的方式馴化7-10天，可以使活性污泥在好氧條件下合成PHA。通過(guò)不同的啟動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩種不同的PHA優(yōu)勢(shì)合成菌的控制和篩選。
　　試驗(yàn)研究了營(yíng)養(yǎng)比例（COD:N，COD:P）對(duì)PHA合成的影響。研究結(jié)果顯示，PHA的最大合成量隨著碳氮比或碳磷比的提高而提高，營(yíng)養(yǎng)比例既是刺激微生物合成積累PHA的條件，也影響著

5、細(xì)胞內(nèi)最大PHA產(chǎn)量；厭氧條件下合成PHA時(shí)，在COD:N=125:1和COD:P=250:1時(shí)最大PHA積累量分別達(dá)到細(xì)胞干重的57%和26%；好氧條件下合成PHA時(shí)，在COD:N=200:1和COD:P=500:1時(shí)最大PHA合成量分別達(dá)到細(xì)胞干重的61%和33%，限制氮源比限制磷源獲得的PHA含量更高。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，厭氧條件下合成的PHA由PHB和PHV構(gòu)成，好氧條件下合成的PHA幾乎完全由PHB構(gòu)成。合成PHA反應(yīng)器經(jīng)過(guò)約35天持續(xù)

6、運(yùn)行，無(wú)論是限制氮源還是限制磷源，均會(huì)導(dǎo)致污泥膨脹，其中磷源匱乏的反應(yīng)器發(fā)生了非絲狀菌的粘性膨脹，氮源匱乏的反應(yīng)器發(fā)生了絲狀菌膨脹，同時(shí)PHA合成能力喪失。試驗(yàn)考察了溫度和pH對(duì)PHA合成的影響，研究發(fā)現(xiàn)在限磷條件下，19℃時(shí)PHA合成能力最強(qiáng)；在限氮條件下，16℃時(shí)PHA合成能力最強(qiáng)。無(wú)論限氮或限磷，結(jié)果都顯示較低的溫度適宜PHA的合成。在不控制pH時(shí)（pH介于8~9），PHA的合成情況較好，當(dāng)pH降低時(shí)到7.0時(shí)底物利用能力和PHA

7、合成能力下降，pH降至5.0時(shí)PHA的合成能力大幅度降低。中性偏堿性的環(huán)境有利于PHA的合成。
　　將含紅糖的廢水水解酸化以后作為碳源進(jìn)水合成 PHA。研究發(fā)現(xiàn)，調(diào)整 pH后進(jìn)水，不僅可以使PHA的總量提高，同時(shí)也令PHA的單體構(gòu)成發(fā)生變化，PHV的比例獲得較大幅度的提高；若含酸廢水不經(jīng)pH調(diào)整直接進(jìn)水，將會(huì)對(duì)PHA的合成產(chǎn)生沖擊，單位基質(zhì)的PHA的產(chǎn)率和最大PHA積累量分別下降46%和58%，其中PHB受到的影響更大。當(dāng)調(diào)整含酸

8、廢水的營(yíng)養(yǎng)比例使碳源相對(duì)過(guò)剩時(shí)，基質(zhì)利用效率和PHA的積累量又會(huì)提升。
　　課題對(duì)活性污泥中PHA的提取進(jìn)行了初步研究，使用5%的NaClO對(duì)2800mg/L的濕污泥可達(dá)到較好的破碎效果。試驗(yàn)設(shè)計(jì)了一套包括吹掃蒸發(fā)、溶劑吸收、尾氣過(guò)濾三個(gè)部分的簡(jiǎn)易 PHA提取裝置，使用氯仿溶解萃取 PHA，使用NMP吸收氯仿，在一套裝置內(nèi)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了PHA的析出和氯仿溶劑的回收；提取后的PHA粗產(chǎn)品呈白色片狀或粉末狀，對(duì)于PHA含量20%左右的污泥

9、經(jīng)過(guò)提取，獲得的PHA純度可達(dá)60-70%以上，同時(shí)對(duì)材料的表面特性、熱穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并提出了利用剩余污泥馴化、合成、提取PHA的技術(shù)策略。
　　從馴化后的合成 PHA的污泥中篩得一株具有較高 PHA合成能力的菌，命名為 S1，對(duì)其進(jìn)行發(fā)酵試驗(yàn)研究表明，該菌在較高的碳磷比下可以大量積累 PHA，碳磷比是影響 PHA產(chǎn)量的最主要因素；分批發(fā)酵實(shí)驗(yàn)顯示，在 COD:P=400時(shí)，細(xì)胞干重達(dá)到了4.78g/L同時(shí)PHA的積累量也達(dá)到了