申请日2014.01.10
公开(公告)日2015.12.23
IPC分类号C02F3/12; C12P7/62; C02F3/30
摘要
一种生物处理废水以及同时结合旨在增加用于处理废水的生物质的PHA积聚潜力的过程的方法。该方法包括生物处理废水和通过使生物质经受初次盛宴-饥饿过程，提高生物质的PHA积聚潜力，其中生物质经受反复周期的盛宴和初次饥饿条件。有时，该方法需要从初次盛宴-饥饿过程偏离至二次饥饿过程。二次饥饿过程包括使生物质经受二次饥饿条件一段时间，该时间显著大于初次饥饿条件的平均时间。
权利要求书
1.一种生物处理含有生物质的废水和提高生物质的PHA积聚潜力的方法，其包括：
混合含有生物质的废水和生物处理废水以除去来自废水的污染物;和
通过以下方面提高生物质的PHA积聚潜力：
i.使生物质经受初次盛宴-饥饿过程，其中生物质经受重复周期的初次盛宴和饥饿条件;
ii.除了初次盛宴-饥饿过程，还应用二次饥饿过程，其包括：
使已经经受重复周期的初次盛宴和饥饿条件的生物质经受二次饥饿过程，其中生物质或生物质的部分在给定的时间经受二次饥饿条件一段时间，该时间显著大于初次饥饿条件的平均时间。
2.权利要求1的方法，其中生物质经受二次饥饿条件一段时间，所述时间平均少于6天。
3.权利要求1的方法，其中所述方法在顺序批反应器(SBR)中进行，并包括在SBR中生物处理废水和使生物质在SBR中经受初次盛宴-饥饿过程;且其中生物质在一个周期的初次盛宴-饥饿过程中已经经受初次饥饿条件后，偏离初次盛宴-饥饿过程并使生物质在SBR中经受二次饥饿条件。
4.权利要求1的方法，其在SBR和侧流反应器中进行，并包括在SBR中进行初次盛宴-饥饿过程和将至少部分生物质从SBR转移至侧流反应器，并使生物质在侧流反应器中经受二次饥饿条件。
5.权利要求4的方法，其中至少部分生物质在SBR和侧流反应器之间来回转移，且其中初次盛宴-饥饿过程在SBR中进行，并且生物质在侧流反应器中经受二次饥饿条件。
6.权利要求4的方法，其中生物质包含在SBR中的混合液中且该方法包括使生物质在SBR中经受重复的盛宴和饥饿条件，和在SBR中的生物质经受初次饥饿条件时，通过将至少部分生物质从SBR转移至侧流反应器并使生物质在侧流反应器中经受二次饥饿条件，进行生物质的二次饥饿处理。
7.权利要求4的方法，其中每个初次盛宴-饥饿周期包括初次盛宴期和初次饥饿期;且所述方法包括维持这样的时间，即，使得生物质在侧流反应器中经受二次饥饿条件大于平均初次饥饿期但少于6天的时间。
8.权利要求1的方法，其包括连续流主流过程，其中初次盛宴-饥饿过程在主流中进行;和其中二次饥饿过程在侧流中进行。
9.权利要求8的方法，其中主流包括初次盛宴反应器和初次饥饿反应器，且所述方法包括使生物质在初次盛宴反应器中经受初次盛宴条件，并使生物质在初次饥饿反应器中经受初次饥饿条件;其中侧流包括二次饥饿反应器，且所述方法包括使生物质在二次饥饿反应器中经受二次饥饿条件;和所述方法还包括使生物质在初次饥饿反应器和二次饥饿反应器之间来回转移。
10.权利要求1的方法，其包括在主流中进行初次盛宴-饥饿过程;在生物质已经经受至少一个初次盛宴-饥饿周期后，沉淀至少部分生物质;并将至少部分的沉淀生物质转移至二次饥饿反应器，并在使生物质返回初次盛宴-饥饿条件的条件之前，使生物质在二次饥饿反应器中经受二次饥饿条件。
11.权利要求10的方法，其中二次饥饿反应器位于侧流中。
12.权利要求10的方法，其中有返回的生物质管线，用于将至少部分的沉淀生物质从固体-液体分离器导向主流;且其中所述方法包括使生物质在返回的生物质管线和二次饥饿反应器之间来回转移，并使生物质在二次饥饿反应器中经受二次饥饿条件。
13.权利要求1的方法，其包括：
通过将生物质导入并通过在主流中的盛宴和饥饿反应器，使生物质经受初次盛宴-饥饿过程，此后沉淀至少部分的生物质并使沉淀的生物质返回在主流中的盛宴和饥饿反应器，在那里使生物质经受交互的盛宴和饥饿条件;和
使至少部分的返回的生物质经受二次饥饿条件，此后使生物质返回到主流并被导入和通过其中的盛宴和饥饿反应器。
14.权利要求13的方法，其中二次饥饿反应器与生物质返回管线连通，所述管线可操作地连接于固体-液体分离器和主流之间。
15.权利要求1的方法，其包括：
将生物质导入在主流中的初次盛宴反应器，并使生物质在初次盛宴反应器中经受初次盛宴条件;
在生物质已经经受初次盛宴条件后，将生物质导向在主流中的下游初次饥饿反应器，并使生物质在初次饥饿反应器中经受初次饥饿条件;
在生物质已经经受初次饥饿条件后，将生物质导向固体-液体分离器并从处理的废水分离生物质;
使分离的生物质再循环到主流并反复地引导分离的生物质通过初次盛宴和饥饿反应器;
继续将分离的生物质再循环到初次盛宴和饥饿反应器经历选择的时间;
将至少部分的分离的生物质周期地或连续地导向二次饥饿反应器，并使生物质在二次饥饿反应器中经受二次饥饿条件;和
在分离的生物质已经经受二次饥饿条件后，引导至少部分的这种生物质回到主流，并使生物质在主流中经受重复的盛宴和饥饿条件。
16.权利要求15的方法，其中在二次饥饿反应器中处理的生物质，在初次盛宴反应器和在初次饥饿反应器中经先后处理，然后到达二次饥饿反应器。
17.权利要求1的方法，其中初次盛宴和饥饿条件在初次盛宴和饥饿反应器中进行，且其中二次饥饿在二次饥饿反应器中进行，和其中初次盛宴反应器被布置在主流中，和初次饥饿反应器被布置在第一侧流中，和二次饥饿反应器被布置在第二侧流反应器中;和其中所述方法包括：
使生物质在初次盛宴反应器中经受初次盛宴条件;
使生物质在初次盛宴反应器中经受初次盛宴条件后，将生物质导向固体-液体分离器并从混合液分离生物质;
使分离的生物质导向初次饥饿反应器并使分离的生物质经受初次饥饿条件;
使生物质循环通过初次盛宴反应器、固体-液体分离器和初次饥饿反应器并回到初次盛宴反应器一个选择的周期数;和
使至少部分的生物质从初次饥饿反应器转移至二次饥饿反应器，并使该生物质在二次饥饿反应器中经受二次饥饿条件;和
使在二次饥饿反应器中的至少部分的生物质返回到正循环通过初次盛宴和饥饿反应器的其余生物质。
18.权利要求17的方法，其中固体-液体分离器在初次盛宴反应器和初次饥饿反应器之间可操作地互相连接，且其中在生物质在主流中已经经受初次盛宴条件后和生物质已经通过固体-液体分离器与混合液分离后，使生物质经受初次饥饿条件。
19.权利要求1的方法，其中使生物质经受二次饥饿条件一段时间，所述时间大于或等于平均初次盛宴-饥饿保持时间或循环时间。
20.权利要求1的方法，其包括在主流中进行初次盛宴过程;在生物质已经经受初次盛宴条件后沉淀至少部分的生物质，并使生物质在侧流反应器中经受初次饥饿条件;其中至少部分的生物质在侧流反应器和第二侧流饥饿反应器之间来回交换，以使生物质暴露于也在侧流中的二次饥饿条件。
21.权利要求1的方法，其包括在主流中进行部分的初次饥饿过程;
在生物质在主流中已经经受初次盛宴条件和初次饥饿条件后沉淀至少部分的生物质;
在侧流中进行另一部分的初次饥饿过程，其中生物质在侧流中经受初次饥饿条件;
使生物质在第二侧流反应器中经受二次饥饿过程;和
使生物质在二次饥饿侧流和初次饥饿侧流反应器之间来回转移。
22.权利要求18的方法，其中初次饥饿在固体-液体分离器之前部分实现。
23.权利要求1的方法，其中基本上所有的生物质同时经受二次饥饿条件。
24.权利要求1的方法，其中仅部分的总过程生物质在任何给定的时间重复地经受二次饥饿条件。
25.权利要求24的方法，其包括使部分的生物质重复地经受二次饥饿条件，以致在统计学上所有的生物质平均受由二次饥饿过程赋予的延长饥饿条件的作用的控制。
26.权利要求1的方法，其中平均每4个固体保持时间(SRT)至少一次，使过程中的生物质经受用于过程中的生物质的二次饥饿条件。
27.一种生物处理含有生物质的废水和提高生物质的PHA积聚潜力的方法，其包括：
将含有易生物降解的化学需氧量(RBCOD)和氮的废水流导入初次盛宴反应器;
在初次盛宴反应器中维持缺氧条件并使生物质经受初次盛宴条件，同时使废水脱氮;
将来自初次盛宴反应器的废水和生物质导向下游初次饥饿反应器;
在初次饥饿反应器中维持有氧条件并使生物质经受初次饥饿条件，同时氮化废水;
使来自初次饥饿反应器的废水和生物质再循环至初次盛宴反应器，以引起初次盛宴-饥饿过程，其中生物质经受重复周期的初次盛宴和饥饿条件;
至少部分的生物质已经在初次盛宴反应器和初次饥饿反应器中经受重复周期的初次盛宴和饥饿条件后，将来自初次饥饿反应器的废水和生物质导向二次饥饿反应器;和
使生物质在二次饥饿反应器中经受二次饥饿过程，其中生物质经受二次饥饿条件一段时间，所述时间显著大于生物质在初次饥饿反应器中暴露于初次饥饿条件的平均时间。
28.权利要求27的方法，其包括在缺氧条件下操作二次饥饿反应器和在二次饥饿反应器中使废水脱氮。
29.权利要求27的方法，其中所述方法包括对在过程中悬浮的生物质经历固体保持时间(SRT)，和所述方法包括保持生物质在二次饥饿反应器中少于SRT的一段时间。
30.权利要求27的方法，其包括将来自二次饥饿反应器的废水和生物质导向固体-液体分离器并从废水分离生物质;和将分离的生物质再循环到初次盛宴反应器和/或初次饥饿反应器中。
31.权利要求27的方法，其中再循环至初次盛宴反应器和/或初次饥饿反应器的分离的生物质的平均流速是导向初次盛宴反应器的废水流的平均流速的0.2-2.0倍。
32.权利要求27的方法，其中废水和生物质形成混合液的一部分和其中混合液从初次饥饿反应器再循环至初次盛宴反应器的流速是导入初次盛宴反应器的废水的平均流速的1-5倍。
说明书
提高在混合培养生物质中的多羟基烷酸酯积聚的能力的生物废水处理方法
背景
用于除去化学需氧量(COD)的生物处理废水产生生物质。今天，废弃的剩余生物质代表一种固体废物处置问题。已引起极大的关注一个机会是由生物质(例如活性污泥处理的废水中的生物质)产生生物可降解的聚合物。这样，产生的活性污泥的至少部分变为可从生物废水处理过程收获的有价值的副产物。可使收获的生物质积聚显著水平的生物聚合物，并且现在富含生物聚合物的生物质不再是一个处置问题，而且相反，是生物塑料和/或精细化工的价值链中的原材料来源。以这种方式，污泥处置问题可能会转变成一种可再生资源机会。
已知在过程水和废水的生物处理中产生的生物质可积聚多羟基烷酸酯(PHA)类型中的生物聚合物，所述多羟基烷酸酯为一组由许多天然存在的细菌种类产生的、作为中间碳和能源库的聚酯。PHA是可从生物质回收并转化为有商业价值的生物可降解的塑胶(其可用于广泛范围的实际应用)的生物聚合物(见例如，US2010/0200498、WO2011/070544A2、WO2011/073744A1、WO2012/022998A1、WO2012/023114A1)。
从学术和知识产权出版物的机构(见例如Salehizadeh和Loosdrecht,BiotechnologyAdvances22(2004)261-279)，已知一种用于提高生物质积聚PHA的潜力同时处理废水的方法涉及所谓的盛宴和饥饿(feastandfamine)策略。盛宴和饥饿意味着进行生物处理，以使生物质暴露于可获得的和几乎不可获得的、呈易生物降解的COD(RBCOD)形式的底物的交互环境中。RBCOD可例如包括挥发性脂肪酸例如乙酸。1克质量的乙酸相当于1.067克作为化学需氧量或COD的乙酸。
在盛宴期间，在突然可获得的RBCOD的条件下，RBCOD在暴露于饥饿环境后即被生物质吸收。在盛宴期间，至少一些RBCOD转化为PHA。在具有低RBCOD可用性的饥饿条件下，在盛宴期间贮存至少一些PHA的生物质中的菌群可使用这种内部贮存的PHA作为在饥饿期间为了生长和生存的能量和碳的来源。因此，盛宴和饥饿环境的交替趋向于选择在生物质中具有贮藏PHA能力的菌群的存活。
与在常规生物废水处理系统的生物质中发现的典型的最小背景水平相比，通过应用盛宴和饥饿条件，生物质的PHA积聚潜力(PAP)可以是富集的。活性污泥的典型最小背景PAP是贮藏PHA至少于约20%g-PHA/g-VSS的水平的能力。富集的PAP可被认为是约30%或以上，和优选地多于50%g-PHA/g-VSS的积聚潜力。高的PAP使得PHA的积聚过程和随后的回收更有效，并由此改善生产作为由生物处理的水质管理设施的副产物的PHA的整个过程的经济性。
从水质管理设施生产PHA可以是涉及生物处理单元过程的整体生物精制概念的一部分，包括但不限于：
1.任选的预处理例如产酸发酵，以将有机物质转化为RBCOD发酵产物，例如挥发性脂肪酸(VFA)。
2.从水中除去有机污染物并生产具有明显积聚PHA或富集的PAP的潜力的生物质。
3.通过使用来自用于生物质生产的相同来源的RBCOD，或者通过使用其它可获得的RBCOD来源，控制收获的生物质中PHA的积聚，表达来自2的剩余生物质的PAP。
4.从在3中生产的富含PHA的生物质回收和纯化PHA。
PAP的典型的盛宴和饥饿选择集中在盛宴和饥饿的循环方案的时间中维持稳定的条件。这就是说，将生物质暴露于重复周期的盛宴和饥饿中，其中总盛宴-饥饿循环时间是大致恒定的，并且其中饥饿部分一般意思是大于?的这种循环时间。虽然盛宴和饥饿选择已经反复地显示富集在开放的混合培养物中生产的生物质的PAP，但结果还提示，包含生物质的微生物群落可以使自身适应盛宴-饥饿的方案。通过适应，微生物群落可不太可能在PHA积聚过程期间立即达到其全部PAP的潜力。
发明概述
本发明涉及一种生物处理含有生物质的废水和在处理废水的过程中提高通过生物质表达的PHA积聚潜力的方法。可使用各种生物方法。例如，可使用生物质以除去BOD、氮、磷和在市政废水和其它类型的废水或过程水流中通常发现的广泛范围的污染物。为了提高生物质的PHA积聚潜力，采用初次盛宴-饥饿(选择)过程。初次盛宴-饥饿过程使生物质经受重复周期的盛宴和饥饿条件。这些条件被称为初次盛宴条件和初次饥饿条件。盛宴和饥饿条件的重复周期数可以变化。在一个实施方案中，将生物质暴露于至少两个重复周期的交互的盛宴和饥饿条件。
除了将生物质暴露于许多交互的盛宴和饥饿周期外，本文描述的过程还涉及引入一次或多次自循环初次盛宴-饥饿方案的受控制的偏离。偏离过程被称为二次饥饿过程或简单地为二次扰动(perturbation)。在二次饥饿过程中，生物质或其部分经受饥饿条件一段显著大于平均初次饥饿期的时间。在一个实施方案中，二次饥饿期长于在前的初次饥饿期的平均值，但少于在过程中的生物质的固体保持时间。二次饥饿过程可周期地启动。如本文所用的，“周期地”意指有时并且在多次初次盛宴-饥饿周期后。即是说，二次饥饿过程不需要基于固定的时间间隔启动。事实上，连续二次饥饿过程之间的时间间隔可以变化。在一些实施方案中，每4次污泥保持时间(SRT)至少一次发生二次扰动。
本公开内容还涉及用于提高生物质的PAP的过程或方法，这样的提高超过和高于可从使生物质经受固定的盛宴和饥饿条件的循环方案所期望的。生物质的PAP可受两个因素的影响。较高的PAP由富含较高部分的菌群的生物质所证实，所述菌群具有将RBCOD转化为细胞内贮存的PHA的代谢能力。较高的PAP也可由于生物质在积聚过程的时间的生理状态所致。盛宴和饥饿方案选择储存PHA的菌群在生物质中的优选的存活。推测盛宴和饥饿的特定条件，基于时间和有机负荷，还控制要制备的那些储存PHA的细菌不贮藏比它们需要在盛宴期间贮藏的更多的PHA。典型地，在生物处理过程的实际条件下，贮存的PHA水平比PHA积聚过程所需的最终水平低。因此，本方面的方法旨在合并PAP富集的条件与倾向于维持具有PHA积聚的改进生理状态的生物质的条件。尽管这种解释，和对于其它这样的解释的可能性，本方法提供超过和优于基本盛宴-饥饿策略的那些的增强的过程条件，以致提高的PHA积聚性能得以实现。