提高在混合培養(yǎng)生物質(zhì)中的多羥基烷酸酯積聚的能力的生物廢水處理方法
【專利說明】提高在混合培養(yǎng)生物質(zhì)中的多羥基烷酸酯積聚的能力的生物廢水處理方法
[0001]背景
用于除去化學(xué)需氧量(COD)的生物處理廢水產(chǎn)生生物質(zhì)。今天，廢棄的剩余生物質(zhì)代表一種固體廢物處置問題。已引起極大的關(guān)注一個(gè)機(jī)會(huì)是由生物質(zhì)(例如活性污泥處理的廢水中的生物質(zhì))產(chǎn)生生物可降解的聚合物。這樣，產(chǎn)生的活性污泥的至少部分變?yōu)榭蓮纳飶U水處理過程收獲的有價(jià)值的副產(chǎn)物。可使收獲的生物質(zhì)積聚顯著水平的生物聚合物，并且現(xiàn)在富含生物聚合物的生物質(zhì)不再是一個(gè)處置問題，而且相反，是生物塑料和/或精細(xì)化工的價(jià)值鏈中的原材料來源。以這種方式，污泥處置問題可能會(huì)轉(zhuǎn)變成一種可再生資源機(jī)會(huì)。
[0002]已知在過程水和廢水的生物處理中產(chǎn)生的生物質(zhì)可積聚多羥基烷酸酯(PHA)類型中的生物聚合物，所述多羥基烷酸酯為一組由許多天然存在的細(xì)菌種類產(chǎn)生的、作為中間碳和能源庫(kù)的聚酯。PHA是可從生物質(zhì)回收并轉(zhuǎn)化為有商業(yè)價(jià)值的生物可降解的塑膠(其可用于廣泛范圍的實(shí)際應(yīng)用)的生物聚合物(見例如，US 2010/0200498、TO2011/070544A2、W0 2011/073744AU WO 2012/022998AU WO 2012/023114A1)。
[0003]從學(xué)術(shù)和知識(shí)產(chǎn)權(quán)出版物的機(jī)構(gòu)(見例如Salehizadeh和Loosdrecht,B1technology Advances 22 (2004) 261-279)，已知一種用于提高生物質(zhì)積聚PHA的潛力同時(shí)處理廢水的方法涉及所謂的盛宴和饑餓(feast and famine)策略。盛宴和饑餓意味著進(jìn)行生物處理，以使生物質(zhì)暴露于可獲得的和幾乎不可獲得的、呈易生物降解的COD(RBCOD)形式的底物的交互環(huán)境中。RBCOD可例如包括揮發(fā)性脂肪酸例如乙酸。I克質(zhì)量的乙酸相當(dāng)于1.067克作為化學(xué)需氧量或COD的乙酸。
[0004]在盛宴期間，在突然可獲得的RBCOD的條件下，RBCOD在暴露于饑餓環(huán)境后即被生物質(zhì)吸收。在盛宴期間，至少一些RBCOD轉(zhuǎn)化為PHA。在具有低RBCOD可用性的饑餓條件下，在盛宴期間貯存至少一些PHA的生物質(zhì)中的菌群可使用這種內(nèi)部貯存的PHA作為在饑餓期間為了生長(zhǎng)和生存的能量和碳的來源。因此，盛宴和饑餓環(huán)境的交替趨向于選擇在生物質(zhì)中具有貯藏PHA能力的菌群的存活。
[0005]與在常規(guī)生物廢水處理系統(tǒng)的生物質(zhì)中發(fā)現(xiàn)的典型的最小背景水平相比，通過應(yīng)用盛宴和饑餓條件，生物質(zhì)的PHA積聚潛力(PAP)可以是富集的?；钚晕勰嗟牡湫妥钚”尘癙AP是貯藏PHA至少于約20 % g-PHA/g-VSS的水平的能力。富集的PAP可被認(rèn)為是約30%或以上，和優(yōu)選地多于50% g-PHA/g-VSS的積聚潛力。高的PAP使得PHA的積聚過程和隨后的回收更有效，并由此改善生產(chǎn)作為由生物處理的水質(zhì)管理設(shè)施的副產(chǎn)物的PHA的整個(gè)過程的經(jīng)濟(jì)性。
[0006]從水質(zhì)管理設(shè)施生產(chǎn)PHA可以是涉及生物處理單元過程的整體生物精制概念的一部分，包括但不限于:
1.任選的預(yù)處理例如產(chǎn)酸發(fā)酵，以將有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為RBCOD發(fā)酵產(chǎn)物，例如揮發(fā)性脂肪酸(VFA)。
[0007]2.從水中除去有機(jī)污染物并生產(chǎn)具有明顯積聚PHA或富集的PAP的潛力的生物質(zhì)。
[0008]3.通過使用來自用于生物質(zhì)生產(chǎn)的相同來源的RBC0D，或者通過使用其它可獲得的RBCOD來源，控制收獲的生物質(zhì)中PHA的積聚，表達(dá)來自2的剩余生物質(zhì)的PAP。
[0009]4.從在3中生產(chǎn)的富含PHA的生物質(zhì)回收和純化PHA。
[0010]PAP的典型的盛宴和饑餓選擇集中在盛宴和饑餓的循環(huán)方案的時(shí)間中維持穩(wěn)定的條件。這就是說，將生物質(zhì)暴露于重復(fù)周期的盛宴和饑餓中，其中總盛宴-饑餓循環(huán)時(shí)間是大致恒定的，并且其中饑餓部分一般意思是大于3/4的這種循環(huán)時(shí)間。雖然盛宴和饑餓選擇已經(jīng)反復(fù)地顯示富集在開放的混合培養(yǎng)物中生產(chǎn)的生物質(zhì)的PAP，但結(jié)果還提示，包含生物質(zhì)的微生物群落可以使自身適應(yīng)盛宴-饑餓的方案。通過適應(yīng)，微生物群落可不太可能在PHA積聚過程期間立即達(dá)到其全部PAP的潛力。
[0011]發(fā)明概述
本發(fā)明涉及一種生物處理含有生物質(zhì)的廢水和在處理廢水的過程中提高通過生物質(zhì)表達(dá)的PHA積聚潛力的方法。可使用各種生物方法。例如，可使用生物質(zhì)以除去B0D、氮、磷和在市政廢水和其它類型的廢水或過程水流中通常發(fā)現(xiàn)的廣泛范圍的污染物。為了提高生物質(zhì)的PHA積聚潛力，采用初次盛宴-饑餓(選擇)過程。初次盛宴-饑餓過程使生物質(zhì)經(jīng)受重復(fù)周期的盛宴和饑餓條件。這些條件被稱為初次盛宴條件和初次饑餓條件。盛宴和饑餓條件的重復(fù)周期數(shù)可以變化。在一個(gè)實(shí)施方案中，將生物質(zhì)暴露于至少兩個(gè)重復(fù)周期的交互的盛宴和饑餓條件。
[0012]除了將生物質(zhì)暴露于許多交互的盛宴和饑餓周期外，本文描述的過程還涉及引入一次或多次自循環(huán)初次盛宴-饑餓方案的受控制的偏離。偏離過程被稱為二次饑餓過程或簡(jiǎn)單地為二次擾動(dòng)(perturbat1n)。在二次饑餓過程中，生物質(zhì)或其部分經(jīng)受饑餓條件一段顯著大于平均初次饑餓期的時(shí)間。在一個(gè)實(shí)施方案中，二次饑餓期長(zhǎng)于在前的初次饑餓期的平均值，但少于在過程中的生物質(zhì)的固體保持時(shí)間。二次饑餓過程可周期地啟動(dòng)。如本文所用的，“周期地”意指有時(shí)并且在多次初次盛宴-饑餓周期后。即是說，二次饑餓過程不需要基于固定的時(shí)間間隔啟動(dòng)。事實(shí)上，連續(xù)二次饑餓過程之間的時(shí)間間隔可以變化。在一些實(shí)施方案中，每4次污泥保持時(shí)間(SRT)至少一次發(fā)生二次擾動(dòng)。
[0013]本公開內(nèi)容還涉及用于提高生物質(zhì)的PAP的過程或方法，這樣的提高超過和高于可從使生物質(zhì)經(jīng)受固定的盛宴和饑餓條件的循環(huán)方案所期望的。生物質(zhì)的PAP可受兩個(gè)因素的影響。較高的PAP由富含較高部分的菌群的生物質(zhì)所證實(shí)，所述菌群具有將RBCOD轉(zhuǎn)化為細(xì)胞內(nèi)貯存的PHA的代謝能力。較高的PAP也可由于生物質(zhì)在積聚過程的時(shí)間的生理狀態(tài)所致。盛宴和饑餓方案選擇儲(chǔ)存PHA的菌群在生物質(zhì)中的優(yōu)選的存活。推測(cè)盛宴和饑餓的特定條件，基于時(shí)間和有機(jī)負(fù)荷，還控制要制備的那些儲(chǔ)存PHA的細(xì)菌不貯藏比它們需要在盛宴期間貯藏的更多的PHA。典型地，在生物處理過程的實(shí)際條件下，貯存的PHA水平比PHA積聚過程所需的最終水平低。因此，本方面的方法旨在合并PAP富集的條件與傾向于維持具有PHA積聚的改進(jìn)生理狀態(tài)的生物質(zhì)的條件。盡管這種解釋，和對(duì)于其它這樣的解釋的可能性，本方法提供超過和優(yōu)于基本盛宴-饑餓策略的那些的增強(qiáng)的過程條件，以致提高的PHA積聚性能得以實(shí)現(xiàn)。
[0014]本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點(diǎn)將從以下描述和附圖(其僅僅舉例說明本發(fā)明)的研究中變得顯而易見和明白。
[0015]附圖簡(jiǎn)述
圖1是提高用于生物過程的生物質(zhì)中的PHA積聚潛力的半連續(xù)流生物廢水處理過程的一個(gè)實(shí)施方案的不意圖。
[0016]圖2是提高用于生物過程的生物質(zhì)中的PHA積聚潛力的連續(xù)流生物廢水處理過程的一個(gè)實(shí)施方案的不意圖。
[0017]圖3是提高用于生物過程的生物質(zhì)中的PHA積聚潛力的連續(xù)流生物廢水處理過程的另一個(gè)實(shí)施方案的示意圖。
[0018]圖4是提高用于生物過程的生物質(zhì)中的PHA積聚潛力的連續(xù)流生物廢水處理過程的另一個(gè)實(shí)施方案的示意圖。
[0019]圖5是經(jīng)設(shè)計(jì)使廢水氮化和脫氮以及同時(shí)提高用于該過程的生物質(zhì)中的PHA積聚潛力的生物廢水處理過程的示意圖。
[0020]圖6是在順序批反應(yīng)器過程中，相對(duì)于施加的二次饑餓條件，在各個(gè)時(shí)間生產(chǎn)的生物質(zhì)的PHA積聚潛力的圖示說明。
[0021]圖7是與僅暴露于初次盛宴和饑餓條件的生物質(zhì)的PHA積聚潛力相比，已經(jīng)暴露于二次饑餓條件的生物質(zhì)的PHA積聚潛力的圖示說明。
[0022]圖8是顯示兩個(gè)過程(一個(gè)使用二次饑餓條件，而另一個(gè)僅使用初次盛宴和饑餓條件)6和24小時(shí)后PHA積聚潛力的一對(duì)圖示說明。
[0023]圖9是顯示兩個(gè)平行過程(在一個(gè)過程中生物質(zhì)經(jīng)受二次饑餓條件，而另一個(gè)涉及僅經(jīng)受初次盛宴和饑餓條件的生物質(zhì))的PHA積聚潛力的另一個(gè)圖示說明。
[0024]圖10是顯示平行過程的PHA積聚潛力的另一個(gè)圖示說明。
[0025]本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案的描述
本文討論的方法基于這樣的發(fā)現(xiàn)，即通過在生物水處理期間施加二次擾動(dòng)于重復(fù)周期的生物質(zhì)盛宴和饑餓，來自饑餓條件的生物質(zhì)可被刺激以顯示其PHA積聚潛力(PAP)的增強(qiáng)。在一個(gè)實(shí)施方案中，這樣的二次擾動(dòng)可通過使生物質(zhì)或至少部分的生物質(zhì)暴露于周期地應(yīng)用的延長(zhǎng)的饑餓期而實(shí)現(xiàn)。這樣的暴露可在給定的時(shí)間間隔發(fā)生。
[0026]通過防止生物質(zhì)適應(yīng)盛宴-饑餓循環(huán)的穩(wěn)定的單調(diào)性，生物質(zhì)通過當(dāng)與相同的生物處理比較(其中生物質(zhì)經(jīng)受盛宴和饑餓的簡(jiǎn)單固定循環(huán)方案)達(dá)到更高的現(xiàn)存PAP來改善性能。已發(fā)現(xiàn)，與僅暴露于盛宴和饑餓(有時(shí)被稱為初次盛宴和饑餓條件)的循環(huán)方案而無延長(zhǎng)饑餓的周期間隔的相同生物質(zhì)相比，在給定的時(shí)間間隔，使生物質(zhì)或部分的生物質(zhì)暴露于延長(zhǎng)的饑餓期(有時(shí)稱為二次饑餓)刺激提高的儲(chǔ)存PHA的潛力。這種另外的周期地應(yīng)用的饑餓期被稱為對(duì)生物質(zhì)的二次擾動(dòng)。對(duì)生物質(zhì)的初次擾動(dòng)是盛宴和饑餓循環(huán)方案。
[0027]對(duì)生物質(zhì)施加的超過和優(yōu)于常規(guī)饑餓方案的另外的周期饑餓的二次擾動(dòng)用于控制生物質(zhì)，以在進(jìn)入該過程的積聚階段之前增加其對(duì)PHA貯藏的潛力。在積聚階段，為從生物處理系統(tǒng)收獲的生物質(zhì)提取最高值，優(yōu)選生物質(zhì)積聚PHA至接近其完全表達(dá)潛力的水平。刺激提高的PAP促進(jìn)在積聚過程期間更大容量的生產(chǎn)力并增加從生物質(zhì)回收PHA的經(jīng)濟(jì)性，因?yàn)楦笏降腜HA積聚由用于相同積聚過程的生物質(zhì)表達(dá)。
[0028]在活性污泥處理水(廢水、過程水等)中的PHA貯藏反應(yīng)通過在盛宴條件期間RBCOD的可用性觸發(fā)。盡管一些污染的水可具有比總COD更高部分的RBC0D，但其它未處理的水，例如市政廢水，常常具有比總COD更低部分的RBC0D。較低部分的RBCOD可以過量的50% g-PHA/g-VSS，減少生產(chǎn)含PAP的生物質(zhì)的能力。在此其具有增加驅(qū)動(dòng)該過程的需要，以使全部可能的程度的PAP在積聚過程期間由生物質(zhì)表達(dá)。因此，當(dāng)使用具有超過總COD的低或中等部分的RBCOD的廢水操作用于含PAP的生物質(zhì)生產(chǎn)的過程時(shí)，描述于本公開內(nèi)容的方法具有進(jìn)一步和特別的意義。
[0029]二次擾動(dòng)可