專利名稱：以剩余污泥發(fā)酵液為碳源合成聚羥基脂肪酸酯的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于環(huán)境保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種以污水處理廠剩余污泥發(fā)酵液為碳源，利 用活性污泥在好氧多次進(jìn)料-排水工藝(Aerobic Feeding and Discharge, AFD)條件下合成聚羥 基脂肪酸酯(Polyhydroxyalkanoates,PHA)的方法。
背景技術(shù)：
在由不可降解塑料帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重的情況下，PHA作為一種傳統(tǒng)化學(xué)合成塑料 的替代品正日益受到廣泛的重視。這不僅是因?yàn)槠錂C(jī)械性能與傳統(tǒng)塑料相似，而且它可以完 全被生物所降解。PHA是許多微生物細(xì)胞內(nèi)的能量和碳源類儲(chǔ)存物質(zhì)。目前商業(yè)生產(chǎn)的PHA 主要是利用經(jīng)篩選的微生物或基因工程菌進(jìn)行純種發(fā)酵合成,，與傳統(tǒng)石化高分子材料相比， PHA的生產(chǎn)成本較高，這大大阻礙了 PHA商業(yè)化的進(jìn)程。早在20世紀(jì)70年代，人們己經(jīng) 發(fā)現(xiàn)活性污泥可以積累PHA (例如，文獻(xiàn)Environmental Science & Technology, 1974， 8， 576-579)。采用活性污泥合成PHA無(wú)需在無(wú)菌條件下進(jìn)行，因而生產(chǎn)成本有望得到降低。
在用微生物合成PHA時(shí)，碳源所占的費(fèi)用是影響PHA生產(chǎn)成本的另一個(gè)重要因素。在 過(guò)去的研究中，用于PHA合成的碳源主要是乙酸、丙酸、葡萄糖等純物質(zhì)。為降低碳源成本， 就需要尋找能夠合成PHA的更為廉價(jià)的碳源。隨著全世界范圍內(nèi)污水處理率的提高，每年數(shù) 量巨大的剩余污泥被源源不斷地產(chǎn)生。有研究表明剩余污泥通過(guò)厭氧發(fā)酵可產(chǎn)生大量短鏈脂 肪酸(Short Chain Fatty Acids， SCFAs)、碳水化合物和蛋白質(zhì)等物質(zhì)(例如，文獻(xiàn)Environmental Science & Technology, 2006， 40， 2025-2029)，其中短鏈脂肪酸是易被微生物利用并合成PHA 的物質(zhì)，因此，對(duì)剩余污泥的發(fā)酵液作為PHA合成的碳源的方法進(jìn)行研究、開(kāi)發(fā)具有積極意 義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種以污水處理廠剩余污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的發(fā)酵液為碳源，利用 活性污泥合成聚羥基垸酸(PHA)的方法。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的解決方案是
針對(duì)發(fā)酵液組分的特點(diǎn)，采用好氧多次進(jìn)料-排水工藝(Aerobic Feeding and Discharge, AFD)進(jìn)行PHA的合成，并取得了較高的產(chǎn)量(PHA占細(xì)胞干重72.9%)。所謂AFD工藝， 就是將發(fā)酵液分為若干次加入反應(yīng)器中，每次待所加入的發(fā)酵液中的SCFAs消耗完畢，停止 曝氣并靜置沉淀，排出與所加入發(fā)酵液相同體積的上清液，而后再補(bǔ)加等體積的發(fā)酵液，重 新開(kāi)始曝氣。AFD工藝為活性污泥提供交替出現(xiàn)的外碳源充足和缺乏環(huán)境，這種環(huán)境有利于PHA的合成和累積。同時(shí)，在兩次補(bǔ)充發(fā)酵液的間隙排出上清液又可以保證進(jìn)料后反應(yīng)器內(nèi) 較高的SCFAs濃度，較高的有機(jī)負(fù)荷有利于PHA的合成(文獻(xiàn):Journal of Chemical Technology & Biotechnology, 2005, 80， 1306-1318)。因此，AFD工藝為活性污泥提供了適于合成PHA 的環(huán)境，從而得到了較高的產(chǎn)量。
本發(fā)明提出的一種以污水處理廠剩余污泥發(fā)酵液中的短鏈脂肪酸為碳源，利用活性污泥 在好氧多次進(jìn)料-排水工藝(Aerobic Feeding and Discharge, AFD)條件下合成PHA的方法， 具體步驟如下
(1) 取污水處理廠產(chǎn)生的剩余污泥放入發(fā)酵罐中，調(diào)節(jié)pH至8-11，在室溫下攪拌6-10 d(天)，將混合物進(jìn)行泥水分離，收集到的液體即為發(fā)酵液。
(2) 將活性污泥置于反應(yīng)器中，向其中加入(1)中得到的發(fā)酵液，在好氧條件下曝氣， 待所加入的發(fā)酵液中的SCFAs消耗完畢，停止曝氣并靜置沉淀，排出與前述步驟中所加入發(fā) 酵液相同體積的上清液，而后補(bǔ)加等體積的發(fā)酵液并再次曝氣。重復(fù)上述過(guò)程若干次，待最 后一次加入的發(fā)酵液中的SCFAs消耗完畢，停止曝氣。
(3) 通過(guò)離心收集積累了 PHA的活性污泥，經(jīng)冷凍干燥后與氯仿混合震蕩，取其上清 液在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中蒸發(fā)濃縮，而后，在攪拌條件下加入冷乙醇，所得白色絮狀沉淀即為合成 的PHA。
其中，(1)中剩余污泥厭氧發(fā)酵生產(chǎn)發(fā)酵液的方法采用文獻(xiàn)中報(bào)道的方法(例如，文獻(xiàn) Environmental Science & Technology, 2006， 40， 2025-2029); (3)中的PHA提取方法采用文 獻(xiàn)中報(bào)道的方法(例如:文獻(xiàn)Mac匪olecule， 1986， 19: 2860-2864)。
在上述PHA合成過(guò)程中，碳源濃度過(guò)高會(huì)對(duì)活性污泥造成抑制，過(guò)低則PHA的累積量 相應(yīng)降低，因此，發(fā)酵液與活性污泥的比例通常控制在0.5:1 10:1。同時(shí)，適當(dāng)?shù)娜芙庋鯘舛?也是促進(jìn)SCFAs被活性污泥吸收并轉(zhuǎn)化為PHA的重要因素之一，通常控制在0.5~8mg/L。此 外，過(guò)短的曝氣時(shí)間不能保證SCFAs的充分吸收，過(guò)長(zhǎng)的曝氣時(shí)間會(huì)造成活性污泥內(nèi)已累積 的PHA的分解，因此，曝氣時(shí)間通?？刂圃?.5~10h。最后，合適的發(fā)酵液投加次數(shù)一方面 可提高發(fā)酵液中碳源的利用效率，另一方面可保障活性污泥獲得充足的碳源，通?？刂圃?2~10次。
其中，本發(fā)明較好的條件是發(fā)酵液與活性污泥的體積比為1:1 5:1;每次投加發(fā)酵液曝 氣時(shí)間l 5h;溶解氧濃度控制在4~7mg/L;發(fā)酵液投加次數(shù)為3 6次。
由于采用了上述方案，本發(fā)明的有益效果是
(1) 具有良好的環(huán)境效益首先，在生產(chǎn)發(fā)酵液的同時(shí)可實(shí)現(xiàn)污泥減量和穩(wěn)定化；其 次，用發(fā)酵液做碳源，可減少乙酸、葡萄糖等不可再生能源的消耗；最后，所合成的PHA是 可完全生物降解材料，用于替代傳統(tǒng)石化塑料可在一定程度上解決傳統(tǒng)塑料所造成的環(huán)境污 染；
(2) 具有良好的經(jīng)濟(jì)效益 一方面，采用AFD工藝可得到較高的PHA產(chǎn)量，從而可
降低PHA的生產(chǎn)成本；另一方面，活性污泥法無(wú)需嚴(yán)格控制操作條件，可以節(jié)省費(fèi)用。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。 實(shí)施例l:
(1) 剩余污泥厭氧堿性發(fā)酵生產(chǎn)SCFAs
剩余污泥厭氧堿性發(fā)酵生產(chǎn)SCFAs的方法參照相關(guān)文獻(xiàn)(例如，文獻(xiàn)Environmental Science and Technology, 2006， 40: 2025 -2029)，具體步驟是在有機(jī)玻璃制成的工作容積為5 升的反應(yīng)器中，加入城市污水處理廠的剩余污泥(其含水率為99.4%， pH=6.72)作為發(fā)酵產(chǎn) 酸的底物，反應(yīng)溫度為20士rC，調(diào)整pH為10，在厭氧條件下攪拌7d，取泥水混合物離心， 收集清液即為發(fā)酵液，用做下述PHA合成中的碳源。發(fā)酵液中含SCFAs 2606mgCOD/L，蛋 白質(zhì)882mg/L，碳水化合物201mg/L。
(2) 活性污泥合成PHA
將0.5L活性污泥置于反應(yīng)器中，同時(shí)向其中加入發(fā)酵液，在好氧條件下曝氣，控制溶解 氧濃度為8mg/L，所加發(fā)酵液體積與活性污泥體積比為0.5:1，共投加5次發(fā)酵液，每次待所 加入發(fā)酵液中的SCFAs消耗完畢后，停止曝氣并靜置沉淀，排出與前述步驟中所加入發(fā)酵液 相同體積的上清液，并補(bǔ)加等體積的發(fā)酵液，5次投加發(fā)酵液后分別曝氣0.5、 0.5、 1、 1、 2h， 而后停止曝氣，離心收集活性污泥，測(cè)得每克污泥中含PHA317.4mg。
(3) 活性污泥中PHA的測(cè)定
活性污泥中PHA含量的測(cè)定參照相關(guān)文獻(xiàn)(例如，文獻(xiàn)Applied Microbiology and Biotechnology, 1978， 6: 29-37)，具體步驟是將污泥樣品于冷凍干燥機(jī)中干燥至粉末狀， 稱取干燥后的污泥粉于裂解瓶中，依次加入氯仿、硫酸一甲醇和苯甲酸一甲醇溶液，于102r 下裂解數(shù)小時(shí)，待冷卻后，加蒸餾水離心，取有機(jī)相進(jìn)行氣相色譜分析。
(4) 活性污泥中PHA的提取
活性污泥中PHA的提取方法參照相關(guān)文獻(xiàn)(例如，文獻(xiàn)Macromolecule， 1986， 19: 2860-2864)，具體步驟是取經(jīng)冷凍干燥的污泥樣品，與10倍體積的氯仿混合震蕩24h (搖 床30'C， 200轉(zhuǎn)/min)，將上述混合液離心，即得含PHA的上清液，將上清液在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 中蒸發(fā)濃縮后，在攪拌條件下加入5倍體積冷乙醇(0 4 。C)并在0。C冰箱中放置30min。 待白色絮狀沉淀出現(xiàn)，過(guò)濾烘干即得所合成的PHA。
實(shí)施例2:
剩余污泥發(fā)酵液的獲得及污泥中PHA的測(cè)定和提取方法見(jiàn)實(shí)施例1。
PHA的合成方法如下改變所投加發(fā)酵液與活性污泥的體積比為1:1，控制溶解氧濃度 為0.5mg/L，每次投加發(fā)酵液后分別曝氣3、 4、 5、 6、 7h，其余條件同實(shí)施例1，反應(yīng)結(jié)束 時(shí)收集活性污泥，測(cè)得每克污泥中含PHA186.3mg。
實(shí)施例3:
剩余污泥發(fā)酵液的獲得及污泥中PHA的測(cè)定和提取方法見(jiàn)實(shí)施例1。
PHA的合成方法如下改變所投加發(fā)酵液與活性污泥的體積比為10:1，控制溶解氧濃度
5為6mg/L，發(fā)酵液投加次數(shù)為3次，每次投加發(fā)酵液后分別曝氣6、 7、 8h，其余同實(shí)施例1， 反應(yīng)結(jié)束時(shí)收集活性污泥，測(cè)得每克污泥中含PHA292.5mg。
實(shí)施例4:
剩余污泥發(fā)酵液的獲得及污泥中PHA的測(cè)定和提取方法見(jiàn)實(shí)施例1。
PHA的合成方法如下改變所投加發(fā)酵液與活性污泥的體積比為8:1，控制溶解氧濃度 為8mg/L，發(fā)酵液投加次數(shù)為6次，每次投加發(fā)酵液后分別曝氣5、 6、 7、 8、 9、 10h，其余 條件同實(shí)施例l,反應(yīng)結(jié)束時(shí)收集活性污泥，測(cè)得每克污泥中含PHA354.6mg。
實(shí)施例5:
剩余污泥發(fā)酵液的獲得及污泥中PHA的測(cè)定和提取方法見(jiàn)實(shí)施例1。
PHA的合成方法如下改變所投加發(fā)酵液與活性污泥的體積比為1:1，控制溶解氧濃度 為6mg/L，發(fā)酵液投加次數(shù)為2次，每次投加發(fā)酵液后分別曝氣1、 2h，其余條件同實(shí)施例1， 反應(yīng)結(jié)束時(shí)收集活性污泥，測(cè)得每克污泥中含PHA374.9mg。
實(shí)施例6:
剩余污泥發(fā)酵液的獲得及污泥中PHA的測(cè)定和提取方法見(jiàn)實(shí)施例1。
PHA的合成方法如下改變所投加發(fā)酵液與活性污泥的體積比為5:1，控制溶解氧濃度 為7mg/L,發(fā)酵液投加次數(shù)為3次，每次投加發(fā)酵液后分別曝氣4、 5、 6h，其余條件同實(shí)施 例l，反應(yīng)結(jié)束時(shí)收集活性污泥，測(cè)得每克污泥中含PHA408.6mg。
實(shí)施例7:
剩余污泥發(fā)酵液的獲得及污泥中PHA的測(cè)定和提取方法見(jiàn)實(shí)施例1。
PHA的合成方法如下改變所投加發(fā)酵液與活性污泥的體積比為2:1，控制溶解氧濃度 為4mg/L，發(fā)酵液投加次數(shù)為4次，每次投加發(fā)酵液后分別曝氣2、 3、 4、 5h，其余條件同 實(shí)施例l，反應(yīng)結(jié)束時(shí)收集活性污泥，測(cè)得每克污泥中含PHA423.8mg。
實(shí)施例8:
剩余污泥發(fā)酵液的獲得及污泥中PHA的測(cè)定和提取方法見(jiàn)實(shí)施例1。
PHA的合成方法如下改變所投加發(fā)酵液與活性污泥的體積比為0.5:1，控制溶解氧濃度 為5mg/L，發(fā)酵液投加次數(shù)為10次，每次投加發(fā)酵液后分別曝氣1、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9、 10h，其余條件同實(shí)施例l,反應(yīng)結(jié)束時(shí)收集活性污泥，測(cè)得每克污泥中含PHA485.2mg。
實(shí)施例9:
剩余污泥發(fā)酵液的獲得及污泥中PHA的測(cè)定和提取方法見(jiàn)實(shí)施例1。
PHA的合成方法如下改變所投加發(fā)酵液與活性污泥的體積比為3:1，控制溶解氧濃度 為6mg/L，發(fā)酵液投加次數(shù)為3次，每次投加發(fā)酵液后分別曝氣2.5、 3.5、 5h,其余條件同 實(shí)施例l，反應(yīng)結(jié)束時(shí)收集活性污泥，測(cè)得每克污泥中含PHA548.3mg。
實(shí)施例10:剩余污泥發(fā)酵液的獲得及污泥中PHA的測(cè)定和提取方法見(jiàn)實(shí)施例1。
PHA的合成方法如下改變所投加發(fā)酵液與活性污泥的體積比為1:1，控制溶解氧濃度 為6mg/L，發(fā)酵液投加次數(shù)為3次，每次投加發(fā)酵液后分別曝氣1、 2、 3，其余條件同實(shí)施 例l，反應(yīng)結(jié)束時(shí)收集活性污泥，測(cè)得每克污泥中含PHA647.9mg。
實(shí)施例ll:
剩余污泥發(fā)酵液的獲得及污泥中PHA的測(cè)定和提取方法見(jiàn)實(shí)施例1。
PHA的合成方法如下改變所投加發(fā)酵液與活性污泥的體積比為1:1，控制溶解氧濃度 為6mg/L，發(fā)酵液投加次數(shù)為4次，每次投加發(fā)酵液后分別曝氣1、 2、 3、 4h，其余條件同 實(shí)施例l，反應(yīng)結(jié)束時(shí)收集活性污泥，測(cè)得每克污泥中含PHA729.1mg。
實(shí)施例12:
剩余污泥發(fā)酵液的獲得及污泥中PHA的測(cè)定和提取方法見(jiàn)實(shí)施例1。
PHA的合成方法如下改變所投加發(fā)酵液與活性污泥的體積比為1:1，控制溶解氧濃度 為6mg/L，每次投加發(fā)酵液后分別曝氣1、 2、 3、 4、 5h，其余條件同實(shí)施例1，反應(yīng)結(jié)束時(shí) 收集活性污泥，測(cè)得每克污泥中含PHA732.4mg。采用Waters公司的150C型凝膠滲透色譜 測(cè)得所得PHA的重均分子量為8.5xl05Da，采用TA公司的Q100型差式掃描量熱儀測(cè)得所得 PHA的熔點(diǎn)為101.4°C，玻璃轉(zhuǎn)化溫度為2.68"C。
上述對(duì)實(shí)施例的描述是為了便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉 本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對(duì)這些實(shí)施例做出各種修改，并把在此說(shuō)明的一般原理應(yīng) 用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過(guò)創(chuàng)造性的勞動(dòng)。因此，本發(fā)明不限于這里的實(shí)施例，本領(lǐng)域技 術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對(duì)于本發(fā)明做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種合成聚羥基脂肪酸酯的方法，其特征在于以污水處理廠剩余污泥發(fā)酵液為碳源，利用活性污泥在好氧多次進(jìn)料-排水工藝條件下合成聚羥基脂肪酸酯。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于(1 )取污水處理廠產(chǎn)生的剩余污泥放入發(fā)酵罐中，調(diào)節(jié)pH至8~11,在室溫下攪拌6~10d, 將混合物進(jìn)行泥水分離，收集到的液體即為發(fā)酵液；(2) 將活性污泥置于反應(yīng)器中，向其中加入步驟(1)中得到的發(fā)酵液，在好氧條件下 曝氣，待所加入的發(fā)酵液中的短鏈脂肪酸消耗完畢，停止曝氣并靜置沉淀，排出與所加入發(fā) 酵液相同體積的上清液，而后補(bǔ)加等體積的發(fā)酵液并再次曝氣；重復(fù)上述過(guò)程若干次，待最 后一次加入的發(fā)酵液中的短鏈脂肪酸消耗完畢，停止曝氣；(3) 通過(guò)離心收集積累了聚羥基脂肪酸酯的活性污泥，經(jīng)冷凍干燥后與氯仿混合震蕩， 取其上清液在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中蒸發(fā)濃縮，而后，在攪拌條件下加入冷乙醇，所得白色絮狀沉淀 即為合成的聚羥基脂肪酸酯。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于步驟(2)中所加入的發(fā)酵液與活性污泥的 體積比為0.5:1 10:1。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于步驟(2)中每次加入發(fā)酵液后的曝氣時(shí)間以 短鏈脂肪酸消耗完畢為準(zhǔn)，曝氣0.5 10h。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于步驟(2)中曝氣過(guò)程中，反應(yīng)器內(nèi)溶解氧濃 度為0.5~8mg/L。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于步驟(2)中發(fā)酵液的投加次數(shù)為2-10次。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于發(fā)酵液與活性污泥的體積比為1:1 5:1;每次 投加發(fā)酵液曝氣時(shí)間l~5h;溶解氧濃度控制在4~7mg/L;發(fā)酵液投加次數(shù)為3 6次。
全文摘要
本發(fā)明屬于環(huán)境保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種以污水處理廠剩余污泥發(fā)酵液為碳源，通過(guò)活性污泥在室溫、好氧條件下合成聚羥基脂肪酸酯(Polyhydroxyalkanoates，PHA)的方法。它首先將污水廠產(chǎn)生的剩余污泥在厭氧條件下水解，獲得剩余污泥的發(fā)酵液，再將其加入到含有活性污泥的反應(yīng)器中，在好氧多次進(jìn)料-排水工藝(Aerobic Feeding and Discharge，AFD)條件下使PHA在活性污泥中得到高效積累。本發(fā)明提供了一種資源化利用污水處理廠剩余污泥高效合成PHA的方法，具有良好的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。
文檔編號(hào)C08G63/06GK101555314SQ20091005176
公開(kāi)日2009年10月14日 申請(qǐng)日期2009年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月22日
發(fā)明者姜亞敏, 陳銀廣 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)