稳恒磁场对活性污泥合成聚羟基烷酸酯的影响研究

摘要

聚羟基烷酸酯( Polyhydroxyalkanoate，PHA)因与化工合成塑料(聚乙烯、聚丙烯等)的性质十分相似，又具有生物可降解性，是化工合成塑料的优良替代品，但其高昂的生产成本限制了它的广泛应用。本研究将磁场生物效应引入活性污泥PHA合成系统，旨在利用磁场的生物效应提高PHA合成的产率，降低PHA的生产成本。着重从以下三方面展开研究：
　　 1、在活性污泥驯化过程中，从污泥停留时间(SRT)、C/P、饥饿期与丰盛期的持续时间比、初始负荷、负荷增加率、C/N和初始pH这七个因素中筛选出关键因素，并对关键因素进行优化，建立一种快速、有效的驯化方法。
　　 2、不同磁场强度下，通过改变磁场作用方式和作用时间，研究作用方式、作用时间对PHA合成的影响，优化最佳的磁场处理条件。
　　 3、不同磁场强度下，通过改变系统的SRT、pH条件，研究SRT、pH对PHA合成的影响，优化活性污泥合成PHA工艺条件。
　　 主要研究结果如下：
　　 1、基于Plackett-Burman试验设计筛选活性污泥驯化的关键影响因子。结果表明：SRT、C/N、丰盛期与饥饿期的持续时间比、初始负荷、pH、负荷增加率、C/P这七个因素中对驯化过程影响显著的因素是SRT、C/N、COD0、C/P。进一步通过均匀设计对这4个显著因素进行优化，得到最优的驯化条件为：SRT为15d，C/N为50，C/P为530，COD0为1050mgCOD/L，至驯化结束最大得率为0.73，驯化时间为25d。验证试验显示，至驯化结束最大得率为0.71，驯化时间为23d，该结果表明优化条件是可信的。
　　 2、当磁场仅作用于饥饿期时对HB、HV合成的促进作用显著优于磁场持续作用或仅作用于丰盛期时的促进作用，且该优势随着磁场强度的增大而越趋明显；而当磁场持续作用或仅作用于丰盛期时，两者的促进作用差异不明显。21mT磁场仅作用于饥饿期时，qHB/qs最大，为0.52；11mT磁场仅作用于饥饿期时，qHv/qs最大，为0.23。
　　 3、饥饿期，活性污泥中HB的降解速率大于HV的降解速率，活性污泥主要依赖HB的降解来维持生命活动。磁场三种作用方式中，对PHA降解促进作用从大到小依次为：仅作用于饥饿期、仅作用于丰盛期、持续作用。11mT的磁场仅作用饥饿期时，促进作用最大，降解速率常数为0.035。
　　 4、磁场作用时间对PHA合成的影响表现为非线性。磁场对PHA合成的促进作用在前3d内达到最大，之后随着作用时间的延长而减小，并从第8d开始，磁场对HB、HV的合成存在抑制作用。因此，建议采用磁场短时间作用方式以提高PHA的合成。
　　 5、pH较大地影响了酸消耗和PHA合成的速率。pH从7升高至8.5、9.5时，qs、qHB、qHV均增大，而pH不控制时，qs均介于pH控制在8.5、9.5的qs之间。0、11、21 mT，qs、qHB、qHV均在同一pH值时达到最大，分别为9.5、9.5、8.5。
　　 然而，pH对PHA得率的影响不如速率显著，当速率达到最大时，PHA的得率并不是唯一最大的。0、11 mT时，YPHA在pH为7和pH为9.5达到最大，21mT，pH为9.5时的YPaA仅比pH为8.5时的YPnA，提高了6％.因此，为提高PHA的合成速率，建议控制pH值在较高水平。
　　 6、不同磁场强度下，随着污泥停留时间(SRT)的增长，qs逐渐减小，且qs和F/M值呈正相关(R=0.916，p<0.01)，而Yrm与F/M值、YHV与F/M值却都不存在相关性(P均大于0.05)。11 mT，SRT为10d，YHB、YHV、YPHA均最大，分别为0.24、0.11、0.35 Cmmol/Cmmol；21mT，SRT为5d、10d时，活性污泥合成PHA的能力均较大，YPHA分别为0.42、0.43 Cmmol/Cmmol，差异不明显。

目录

文摘

英文文摘

前言

声明

致谢

1 绪论

1.1剩余活性污泥的资源化

1.1.1剩余活性污泥的性质

1.1.2剩余活性污泥的处理、处置

1.1.3剩余活性污泥的资源化

1.2 PHA的生物合成

1.2.1 PHA的性质

1.2.2 PHA的生物合成工艺

1.2.3 PHA的生物合成途径

1.2.4 PHB合成的酶学

1.2.5 PHA合成的代谢调控

1.3磁场的生物效应

1.3.1对细胞生长与凋亡的影响

1.3.2对细胞膜的影响

1.3.3对细胞代谢的影响

1.3.4对DNA的影响

1.3.5对酶的影响

1.3.6磁生物效应在水处理中的应用

1.4研究目标与内容

1.4.1研究目标

1.4.2研究内容

2实验测定方法与数据计算

2.1材料与装置

2.1.1实验材料

2.1.2实验装置

2.1.3实验污泥

2.2仪器和设备

2.3测定方法

2.3.1 MLSS、VSS的测定

2.3.2乙酸、丙酸，丁酸的测定

2.3.3氨氮浓度的测定

2.3.4磷酸盐浓度的测定

2.3.5 PHB及PHV的测定

2.4计算方法

3高PHA储存能力的活性污泥驯化方法优化

前言

3.1材料与方法

3.1.1营养液组成

3.1.2驯化方法

3.1.3采用Plackett-Burman设计法筛选影响驯化的重要因素

3.1.4基于均匀设计的重要因素的优化研究

3.2结果与讨论

3.2.1 Plackett-Burman法筛选影响驯化的关键因素

3.2.2均匀试验设计优化重要影响因子

3.3本章小结

4磁场作用方式、作用时间对PHA合成的影响

前言

4.1试验方法

4.1.1营养液组成

4.1.2磁场作用方式对活性污泥合成PHA的影响研究

4.1.3磁场作用时间对活性污泥合成PHA的研究

4.2结果与讨论

4.2.1磁场作用方式对活性污泥合成PHA的影响

4.2.2磁场作用方式对饥饿期PHA降解的影响

4.2.3磁场作用方式对PHA组分的影响

4.2.4磁场作用时间对PHA合成的影响

4.3本章小结

5 pH、SRT对磁场—活性污泥系统合成PHA的影响

前言

5.1试验方法

5.1.1营养液组成

5.1.2pH对磁场—活性污泥系统合成PHA的影响

5.1.3 SRT对磁场—活性污泥系统合成PHA的影响

5.2结果与讨论

5.2.1 pH对磁场—活性污泥系统合成PHA的影响

5.2.2 SRT对磁场—活性污泥系统合成PHA的影响

5.3本章小结

6结论与建议

6.1结论

6.2创新点

6.3建议

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文