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两段式和三段式工艺制取聚羟基烷酸酯的试验研究

作　者: 王昌勇
导　师: 吕炳南
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 市政工程
关键词: 聚羟基烷酸脂混合菌群污泥膨胀生物制氢 PHA合成
分类号: X703
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

聚羟基烷酸酯(PHA)是一类羟基脂肪酸的聚合物,当外界环境较恶劣时,部分微生物可以在体内以内碳源的形式贮存PHA。PHA具有生物相容性和可生物降解性,同时根据单体组分的不同还可以具有同石化塑料相类似的多种物理性质,可以代替现行的难降解塑料,以此可缓解环境固体废弃物污染。然而目前PHA商业化生产都采用纯菌发酵的方式,成本较高,阻碍了PHA的大规模应用。采用活性污泥混合菌群生产PHA可以采用更多廉价的有机废物为底物,有望大大降低PHA的生产成本。两段式PHA生产工艺包括有机废物厌氧酸化和PHA生产两步,后者在时间上分为污泥适应阶段和PHA积累阶段,适应阶段采用均衡营养比例而PHA积累阶段则限制进水中营养元素。本研究发现在PHA积累阶段一步减少进水中80%(相对于均衡比例)的氨氮,比逐步减少可以更有效的促进PHA积累;在每周期底物都可以消耗完毕的条件下,无论底物为乙酸钠还是污泥水解液,该阶段反应器厌氧-好氧运行与好氧运行得到的结果几乎没有区别;研究还发现适应期污泥龄较长时可以保证反应器长时间的稳定运行,而污泥龄较短时易引发污泥膨胀,污泥龄低于5天引发的污泥膨胀会使得污泥产PHA能力下降。以污泥水解液为底物时,其中VFAs可以得到的快速的吸收,PHA积累与其中氨氮水平有很大关系。三段式PHA生产工艺包括有机废物厌氧酸化、菌群富集和PHA积累,其中菌群富集是最重要的一步。本研究以乙酸钠为底物考察以SBR富集产PHA菌群时,发现反应器易于发生污泥膨胀。在污泥龄为1天、底物负荷较高(6.6 g COD/L/d)时,反应器膨胀非常严重,大量泡沫产生,污泥很快丧失了产PHA能力;而污泥龄为10天、负荷较低(2.7 g COD/L/d)条件下得到的膨胀污泥则具有较高的PHA合成能力,好氧SBR运行102天时污泥积累PHA最大含量达到了53%,PHA平均积累速率为0.19 mg COD/mg X/h,PHA产率为0.76 mg COD/mg COD,而与此SBR同步运行的厌氧-好氧SBR则运行55天左右后突然崩溃,污泥浓度甚至不足500 mg/L。以蔗糖模拟糖蜜废水经厌氧酸化用于PHA合成时,产酸反应器启动运行1个月后逐渐稳定为乙醇型发酵,此时出水经中空纤维膜过滤后用于SBR富集产PHA混合菌群和PHA积累,实现了生物制氢与PHA合成系统的耦合。SBR运行负荷为4.2-4.5 g COD/L/d,污泥龄为10天,启动运行1个月内污泥浓度从3300 mg/L增大到8000 mg/L以上,尽管底物充盈时溶解氧控制于3.0 mg/L左右,然而30天时SBR依然发生了污泥膨胀,这可能是污泥浓度过大导致的。对比发现,膨胀后的污泥在底物吸收、PHA合成以及生长方面比非膨胀污泥快了1倍左右。本实验在SBR运行25天时,系统每消耗1 kg COD的蔗糖,约生产16 L氢气和0.1 kg COD的PHA,其中单体HV质量比约占24%左右。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-31
  1.1 课题背景  11-12
    1.1.1 课题来源  11
    1.1.2 课题研究目的和意义  11-12
  1.2 PHA 概述  12-19
    1.2.1 PHA 结构与性质  12-14
    1.2.2 细胞储存PHA 的微生物学意义  14-15
    1.2.3 微生物合成PHA 的代谢机制  15-18
    1.2.4 PHA 的提取回收  18-19
  1.3 混合菌群合成PHA 国内外研究现状  19-29
    1.3.1 底物选择  19-20
    1.3.2 工艺流程  20-22
    1.3.3 工艺运行策略  22-25
    1.3.4 影响因素  25-29
  1.4 主要研究内容  29-31
第2章实验材料与方法  31-36
  2.1 实验装置及运行工况  31-33
    2.1.1 实验装置  31-32
    2.1.2 主要设备仪器  32-33
  2.2 检测方法  33-36
    2.2.1 PHA 的检测  33
    2.2.2 乙醇-VFAs 的检测  33-34
    2.2.3 气体成分检测  34
    2.2.4 其他常规指标的测定与分析方法  34-36
第3章两段式PHA 制取工艺优化  36-49
  3.1 氨氮限制方式对PHA 积累的影响  36-39
    3.1.1 实验工艺控制  36-37
    3.1.2 污泥性状的变迁  37-38
    3.1.3 限制进水氨氮下PHA 的循环积累  38-39
  3.2 PHA 积累期厌氧-好氧与好氧运行方式的对比  39-41
    3.2.1 实验工艺控制  39-40
    3.2.2 底物消耗与PHA 积累  40-41
  3.3 短污泥龄、短周期的污泥适应期  41-45
    3.3.1 实验工艺控制  42
    3.3.2 污泥性状的变迁  42-43
    3.3.3 底物消耗与PHA 积累  43-45
  3.4 污泥水解液用于两段式工艺  45-48
    3.4.1 实验工艺控制  45-46
    3.4.2 底物为污泥水解液时PHA 积累情况  46-48
  3.5 本章小结  48-49
第4章以乙酸钠为底物富集产PHA 混合菌群  49-63
  4.1 实验工艺控制  49-50
  4.2 第一阶段SBR 运行状况  50-51
  4.3 膨胀污泥合成PHA  51-58
    4.3.1 富集反应器污泥膨胀  52
    4.3.2 厌氧-好氧运行SBR 的表现  52-53
    4.3.3 好氧运行SBR 的表现  53-54
    4.3.4 两SBR 中PHB 含量的变化  54-55
    4.3.5 两SBR 富集的污泥积累PHB  55-57
    4.3.6 PHB 积累过程中膨胀污泥性状的变化  57-58
  4.4 污泥增殖-PHA 积累循环模式  58-61
    4.4.1 实验工艺控制  58-59
    4.4.2 污泥增殖  59-60
    4.4.3 PHB 积累  60-61
  4.5 本章小结  61-63
第5章三段式PHA 制取工艺初步探索  63-76
  5.1 实验工艺控制  63-65
    5.1.1 CSTR 运行工况  63-64
    5.1.2 SBR 运行工况  64
    5.1.3 PHA 积累实验  64-65
  5.2 CSTR 的启动及稳定运行  65-66
  5.3 SBR 的启动运行监测  66-69
    5.3.1 接种后污泥浓度及SVI 的变化  66-67
    5.3.2 SBR 一周期的参数变化  67-68
    5.3.3 未膨胀污泥与膨胀污泥合成PHA 的对比  68-69
  5.4 PHA 积累实验  69-73
    5.4.1 进水底物浓度对PHA 积累的影响  69-71
    5.4.2 进水底物pH 对PHA 合成的影响  71-72
    5.4.3 SBR 运行过程中剩余污泥合成PHA  72-73
  5.5 生物制氢与PHA 生产工艺的耦合  73-75
  5.6 本章小结  75-76
结论  76-77
建议  77-78
参考文献  78-86
致谢  86

两段式和三段式工艺制取聚羟基烷酸酯的试验研究

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