利用活性污泥混合菌群合成聚羟基烷酸脂的研究

摘要

聚羟基烷酸脂（PHA）是一类可由微生物在不均衡的营养条件下合成的脂类物质，在微生物代谢中起到积累碳源、平衡细胞内外离子的作用。PHA的物理特性类似于聚丙烯等化学塑料，无毒无害，在自然界可完全降解，是可望替代化学塑料、彻底解决白色污染的良好材料，但是较高的成本阻碍了PHA的大规模应用，使用混合菌种如活性污泥代替纯菌，使用含小分子脂肪酸的废水代替葡萄糖、果糖等底物，可以在降低PHA的生产成本的同时，达到污泥减量、废水资源化等目的。PHA的合成菌种类很多，利用活性污泥作为混合菌来源合成PHA受到了广泛关注，然而目前利用活性污泥合成PHA的工艺方式还比较复杂，往往将富集和驯化污泥合成 PHA分成两个阶段或者分别在两个反应器内进行，总工艺时间较长，PHA合成效率还不能令人满意。
　　本课题的研究目的是通过驯化污水厂剩余污泥以小分子脂肪酸为底物合成PHA，寻找简易可行的污泥驯化和PHA的合成工艺，简化操作程序，探索驯化活性污泥合成PHA的影响因素，通过简单的工艺和简单的驯化方式，序批式驯化污泥合成PHA，实现废水和剩余污泥的资源化回收利用和PHA合成的多重目的。
　　试验以乙酸钠代替乙酸为唯一碳源，接种污水处理厂的剩余污泥，使用序批式反应器合成PHA。通过不同的启动和驯化方式影响PHA合成，研究发现，通过厌氧-好氧运行7-15天恢复污泥的活性，在均衡比例COD:N或COD:P的基础上，以一定的梯度（10％~20%）减少N或P的浓度形成不均衡的营养条件，经过10-15天的驯化，可使活性污泥在厌氧条件下合成PHA；当通过好氧运行7-10天恢复污泥活性，然后在厌氧-好氧交替运行条件下以一定梯度（10%~20%）减少N或P浓度的方式驯化7-10天，可以使活性污泥在好氧条件下合成PHA。通过不同的启动方式实现了对两种不同的PHA优势合成菌的控制和筛选。
　　试验研究了营养比例（COD:N，COD:P）对PHA合成的影响。研究结果显示，PHA的最大合成量随着碳氮比或碳磷比的提高而提高，营养比例既是刺激微生物合成积累PHA的条件，也影响着细胞内最大PHA产量；厌氧条件下合成PHA时，在COD:N=125:1和COD:P=250:1时最大PHA积累量分别达到细胞干重的57%和26%；好氧条件下合成PHA时，在COD:N=200:1和COD:P=500:1时最大PHA合成量分别达到细胞干重的61%和33%，限制氮源比限制磷源获得的PHA含量更高。同时发现，厌氧条件下合成的PHA由PHB和PHV构成，好氧条件下合成的PHA几乎完全由PHB构成。合成PHA反应器经过约35天持续运行，无论是限制氮源还是限制磷源，均会导致污泥膨胀，其中磷源匮乏的反应器发生了非丝状菌的粘性膨胀，氮源匮乏的反应器发生了丝状菌膨胀，同时PHA合成能力丧失。试验考察了温度和pH对PHA合成的影响，研究发现在限磷条件下，19℃时PHA合成能力最强；在限氮条件下，16℃时PHA合成能力最强。无论限氮或限磷，结果都显示较低的温度适宜PHA的合成。在不控制pH时（pH介于8~9），PHA的合成情况较好，当pH降低时到7.0时底物利用能力和PHA合成能力下降，pH降至5.0时PHA的合成能力大幅度降低。中性偏碱性的环境有利于PHA的合成。
　　将含红糖的废水水解酸化以后作为碳源进水合成 PHA。研究发现，调整 pH后进水，不仅可以使PHA的总量提高，同时也令PHA的单体构成发生变化，PHV的比例获得较大幅度的提高；若含酸废水不经pH调整直接进水，将会对PHA的合成产生冲击，单位基质的PHA的产率和最大PHA积累量分别下降46%和58%，其中PHB受到的影响更大。当调整含酸废水的营养比例使碳源相对过剩时，基质利用效率和PHA的积累量又会提升。
　　课题对活性污泥中PHA的提取进行了初步研究，使用5%的NaClO对2800mg/L的湿污泥可达到较好的破碎效果。试验设计了一套包括吹扫蒸发、溶剂吸收、尾气过滤三个部分的简易 PHA提取装置，使用氯仿溶解萃取 PHA，使用NMP吸收氯仿，在一套装置内同时实现了PHA的析出和氯仿溶剂的回收；提取后的PHA粗产品呈白色片状或粉末状，对于PHA含量20%左右的污泥经过提取，获得的PHA纯度可达60-70%以上，同时对材料的表面特性、热稳定性进行分析，并提出了利用剩余污泥驯化、合成、提取PHA的技术策略。
　　从驯化后的合成 PHA的污泥中筛得一株具有较高 PHA合成能力的菌，命名为 S1，对其进行发酵试验研究表明，该菌在较高的碳磷比下可以大量积累 PHA，碳磷比是影响 PHA产量的最主要因素；分批发酵实验显示，在 COD:P=400时，细胞干重达到了4.78g/L同时PHA的积累量也达到了51.2%。细胞的增长和PHA的积累是同时进行的。16s rDNA测序鉴定表明，S1菌属于β-变形菌纲红环菌目红环菌科陶厄氏菌属。试验同时建立了S1发酵产PHA的动力学模型方程，理论模型与实际试验结果符合较好。

目录

利用活性污泥混合菌群合成聚羟基烷酸脂的研究

RESEARCH ON POLYHYDROXYALKANOATESYNTHESIZED WITH ACTIVATED SLUDGE MIXEDBACTERIAL

摘要

Abstract

Contents

第1章 绪论

1.1 课题来源及研究背景

1.1.1 课题来源

1.1.2 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 PHA的结构与特性

1.2.2 合成PHA的细菌种类

1.2.3 微生物积累PHA的代谢机制

1.2.4 促进PHA合成的宏观因素

1.2.5 PHA主要的合成工艺

1.2.6 PHA合成的影响因素

1.2.7 PHA的提取回收

1.3 课题研究目的及研究内容

1.3.1 课题研究目的

1.3.2 课题研究技术路线

1.3.3 课题研究内容

第2章 实验材料与方法

2.1 实验材料

2.1.1 实验装置

2.1.2 实验仪器

2.1.3 实验试剂

2.2 实验方法

2.2.1 PHA检测方法的选择和优化

2.2.2 PHA的材料特性分析

2.2.3 细胞内糖原的测定

2.2.4 挥发酸的测定

2.2.5 其他常规指标的测定

2.2.6 微生物实验方法

第3章 活性污泥混合菌群合成PHA的定向驯化

3.1 引言

3.2 厌氧-好氧方式污泥活性恢复

3.2.1 活性恢复阶段的工艺控制方式

3.2.2 活性恢复阶段的指标检测分析

3.2.3 富集驯化阶段的运行条件

3.2.4 富集驯化阶段的运行分析

3.3 完全好氧方式污泥活性恢复

3.3.1 活性恢复阶段的运行条件

3.3.2 富集驯化阶段的运行条件

3.3.3 富集驯化过程中的T-RFLP生物群落分析

3.4氮磷一步限制的驯化方式对混合菌合成PHA的影响

3.4.1 一步限磷条件下的PHA合成

3.4.2 一步限氮条件下的PHA合成

3.5 合成PHA的污泥接种扩大培养

3.5.1 含PHA污泥的接种及扩大培养

3.5.2 接种污泥的PHA合成实验研究

3.5.3 扩培过程中的T-RFLP群落分析

3.6 本章小结

第4章 PHA合成工艺的控制条件优化

4.1 引言

4.2 碳氮比对PHA合成的影响

4.2.1 碳氮比对PHA在厌氧时合成的影响

4.2.2 碳氮比对PHA在好氧时合成的影响

4.3 碳磷比对PHA合成的影响

4.3.1 碳磷比对PHA在厌氧时合成的影响

4.3.2 碳磷比对PHA在好氧时合成的影响

4.3.3 氮磷对PHA合成影响的对比分析

4.4温度对PHA合成的影响

4.4.1 温度影响试验的工艺控制

4.4.2 温度实验结果及分析

4.5 pH对PHA合成的影响

4.5.1 pH影响实验的工艺控制

4.5.2 不控制pH条件下的PHA合成规律

4.5.3 低pH条件对PHA合成的影响

4.6 本章小结

第5章 小分子有机酸废水合成PHA的影响研究

5.1 引言

5.2 产酸废水对PHA合成的影响

5.2.1 糖废水的水解预酸化处理

5.2.2 调pH后的含酸废水对PHA合成的影响

5.2.3 不调节pH时含酸废水对PHA合成的影响

5.3 调整含酸废水营养比例对PHA合成的影响

5.3.1 限制磷条件下含酸废水的PHA合成

5.3.2 限制氮条件下含酸废水的PHA合成

5.3.3 氮磷均受限条件下的PHA合成

5.3.4 水解产酸废水为基质时的参数分析

5.4 从活性污泥中提取PHA粗提物的初步研究

5.4.1 PHA的粗提取

5.4.2 PHA分离和氯仿回收装置

5.4.3 PHA粗提物的性质分析

5.4.4 PHA驯化提取的经济性分析

5.5 利用剩余污泥驯化合成PHA的工艺技术策略

5.6 本章小结

第6章 PHA合成过程的微生物分析及动力学研究

6.1 引言

6.2 从反应器取样的筛菌实验

6.2.1 菌种初筛

6.2.2 菌种复筛

6.2.3 菌种分析

6.3 S1菌株的发酵合成PHA的研究

6.3.1 三因素三水平正交实验

6.3.2 碳源类型对S1合成PHA的影响

6.3.3 碳氮比对S1生长和PHA积累的影响

6.3.4 碳磷比对S1的影响

6.3.5 发酵时间对S1的影响

6.4 S1的发酵动力学模型建立及验证

6.4.1 S1的生长动力学模型

6.4.2 S1的产物生成动力学模型

6.4.3 S1的底物消耗动力学模型

6.4.4 S1动力学模型的求解

6.4.5 S1动力学模型的验证

6.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

哈尔滨工业大学博士学位涉密论文管理

致谢

个人简历