申请日2009.09.15
公开(公告)日2010.03.17
IPC分类号C12P7/62; C12M1/00
摘要
一种污泥驯化及污泥合成聚羟基脂肪酸酯的反应装置及其合成方法。提供一种适用于大规模工业化生产，结构简单，操作方便，造价低廉的污泥驯化及污泥合成聚羟基脂肪酸酯的反应装置以及采用所述污泥驯化及污泥合成聚羟基脂肪酸酯的反应装置，污泥合成产率较高的污泥驯化及污泥合成聚羟基脂肪酸酯的方法。反应装置设污泥驯化器和合成反应器，污泥驯化器设驯化反应罐和曝气头;合成反应器设恒温水浴槽、合成反应罐、2个微电脑时控器、曝气头和搅拌器。取活性污泥投入驯化反应罐，按进水、好氧曝气、排泥、沉淀、出水为一驯化周期连续驯化得驯化稳定的污泥，放入合成反应罐，以乙酸为碳源，调pH，按曝气、停曝、搅拌的循环间歇曝气方式累积PHAs。
权利要求书
1.一种污泥驯化及污泥合成聚羟基脂肪酸酯的反应装置，其特征在于包括污泥驯化器和 合成反应器;
所述污泥驯化器设有驯化反应罐和驯化反应曝气头，驯化反应曝气头置于驯化反应罐的 底部，驯化反应曝气头的进气口通过连接管与设于驯化反应罐外部的转子流量计及空气压缩 机连接，驯化反应曝气头的曝气量由转子流量计控制，驯化反应罐的罐壁上设有至少1个用 于排水排泥的排泥口;
合成反应器设有恒温水浴槽、合成反应罐、2个微电脑时控器、合成反应曝气头和搅拌 器，合成反应罐置于恒温水浴槽内，合成反应曝气头和搅拌器置于合成反应罐底部，合成反 应曝气头的进气口通过连接管与设于外部的转子流量计及空气压缩机连接，2个微电脑时控 器分别与搅拌器和空气压缩机连接，用于控制曝气与搅拌的时间。
2.污泥驯化及污泥合成聚羟基脂肪酸酯的方法，其特征在于，采用如权利要求1所述反 应装置，包括以下步骤：
1)取活性污泥投入污泥驯化器的驯化反应罐中，控制曝气量1～3L/L/min，按进水—— 好氧曝气——排泥——沉淀——出水为1个驯化周期进行驯化，连续驯化10～15个周期，得 到驯化稳定的污泥;
2)取驯化稳定的污泥于合成反应器的合成反应罐中，以乙酸为碳源，调pH值为5.0～ 11.0，按曝气——停曝——搅拌的循环间歇曝气方式累积PHAs 6～18h，得聚羟基脂肪酸酯。
3.如权利要求2所述的污泥驯化及污泥合成聚羟基脂肪酸酯的方法，其特征在于在步骤 1)中，所述活性污泥的污泥浓度为1～4g/L。
4.如权利要求2所述的污泥驯化及污泥合成聚羟基脂肪酸酯的方法，其特征在于在步骤 1)中，所述取活性污泥投入污泥驯化器的驯化反应罐中，调节pH 5.0～9.0。
5.如权利要求2所述的污泥驯化及污泥合成聚羟基脂肪酸酯的方法，其特征在于在步骤 1)中，所述1个驯化周期为20～24h。
6.如权利要求2所述的污泥驯化及污泥合成聚羟基脂肪酸酯的方法，其特征在于在步骤 1)中，所述好氧曝气的时间为19～23h，所述沉淀的时间为20～30min，排上清液。
7.如权利要求2所述的污泥驯化及污泥合成聚羟基脂肪酸酯的方法，其特征在于在步骤 1)中，所述水为培养基溶液，每1L培养基溶液中的成分及在驯化反应体系中的浓度为： CH3COOH 0.4～1.2mg/L，KCl 117～351mg/L，K2HPO4·3H2O 75～225mg/L，NH4Cl 97～291 mg/L，MgSO475～225mg/L，CaCl227～81mg/L，FeCl3·6H2O 5～15mg/L，蛋白胨167～501 mg/L，酵母膏62～186mg/L。
8.如权利要求2所述的污泥驯化及污泥合成聚羟基脂肪酸酯的方法，其特征在于在步骤 2)中，所述合成反应罐中的温度为20～35℃;所述曝气的过程为曝气15～60min，停曝15～ 60min，停曝时开启机械搅拌，所述曝气的曝气量为1～3L/L/min。
9.如权利要求2所述的污泥驯化及污泥合成聚羟基脂肪酸酯的方法，其特征在于在步骤 2)中，所述搅拌的速度为200～500r/min。
10.如权利要求2所述的污泥驯化及污泥合成聚羟基脂肪酸酯的方法，其特征在于在步 骤2)中，所述乙酸在合成反应体系中的体积比浓度为2.5～6.0mL/L。
说明书
一种污泥驯化及污泥合成聚羟基脂肪酸酯的反应装置及其合成方法
技术领域
本发明涉及一种生物可降解材料聚羟基脂肪酸酯(PHAs)的合成方法，尤其是涉及一种 利用剩余活性污泥生物合成聚羟基脂肪酸酯的方法。
背景技术
采用微生物生产可降解塑料聚羟基脂肪酸酯(PHAs)自1970年的石油危机和环保运动 开展后就受到广泛的重视。PHAs因其具有生物相容性和生物可降解性的独特理化性质，在医 药、组织工程、塑料制品和压电制品等领域有着广泛的应用前景。目前，对生物合成PHAs 的研究已成为热门课题，一些国家已进行了细菌发酵PHAs的工业化生产。尽管目前国内外 对纯菌发酵方法的研究较为充分，工艺技术也较为成熟，但生产成本高，与传统的塑料相比 价格高出3～5倍，而且一直不能得到大规模的工业应用。剩余污泥中的许多细菌能在营养物 质不平衡的生长条件下吸收有机物累积PHAs，其丰富的混合菌群对合成PHAs的工艺条件要 求不高，是低成本生产PHAs的有效途径。如Satoh等(Water Science and Technology， 1998，38，103-109)报道了利用剩余污泥，在微需氧-好氧的工艺条件下，PHAs的累积量较高， 可达污泥混合液悬浮固体浓度(MLSS)的62%，但累积时间较长，为30h，而且微需氧的 工艺条件十分难控制，对实现工业化造成了一定的影响。公开号为CN101235400的发明专利 申请公开一种以活性污泥为原料，利用基因工程菌生产PHAs的方法，该方法以污泥水解酸 化所产生的挥发性脂肪酸为碳源，利用基因工程菌进行PHAs的合成，能达到污泥减量化的 目的，在累积60h后，PHAs的含量可占细胞干重的65%;但该方法属于纯菌发酵(据相关 文献报道，纯菌发酵合成PHAs的含量可占细胞干重90%以上)，相对来说累积量不高，且累 积时间较长。公开号为CN1786147的发明专利申请公开一种采用回注少量土著PHAs高产合 成菌，利用自制污泥驯化装置，在25℃下，采用2h厌氧，4h好氧，包括排水换水每个驯化 循环8h的驯化方式，“规制”驯化初期活性污泥的驯化方向，每天实施3个循环，整个驯化周 期为10天，促使活性污泥中PHAs合成菌成为优势菌群，提高活性污泥合成PHAs产率;在 温度为30℃，累积48h后能够有效地提高活性污泥合成PHAs产率的51.9%，但该方法污泥 驯化条件复杂，而且PHAs累积时间较长。蔡萌萌等(Bioresource Technology， 2009，100，1399-1405)报道了利用剩余污泥产生的挥发性脂肪酸为碳源合成PHAs，污泥未经 驯化，在室温下，搅拌速度为250r/min，曝气量为1L/Lmin，不控制pH值的条件下，PHAs累 积量占细胞干重的56.5%;该法以污泥产生的脂肪酸为碳源，可以降低PHAs合成成本，但 PHAs累积量不高，而且前期产酸过程操作比较复杂。陈红等(Biomass and Bioenergy，2009，33，721-727)报道了利用剩余污泥合成PHAs的条件优化，采用好氧瞬时供料 法，在初始pH值为9.0、C∶N为60∶1、磁场强度为11mT条件下，PHAs累积量占细胞干 重49.5%，但其驯化时间长达两个月，且PHAs累积量较低。
尽管上述专利、文献对污泥合成聚羟基脂肪酸酯的工艺进行了探讨和研究，但目前利用 污泥合成聚羟基脂肪酸酯的产率及累积时间都达不到工业化要求。
发明内容
本发明的目的旨在提供一种适用于大规模工业化生产，结构简单，操作方便，造价低廉 的污泥驯化及污泥合成聚羟基脂肪酸酯的反应装置。
本发明的另一目的是提供一种采用所述污泥驯化及污泥合成聚羟基脂肪酸酯的反应装 置，污泥合成产率较高的污泥驯化及污泥合成聚羟基脂肪酸酯的方法。
本发明所述污泥驯化及污泥合成聚羟基脂肪酸酯的反应装置包括污泥驯化器和合成反应 器。
所述污泥驯化器设有驯化反应罐和驯化反应曝气头，驯化反应曝气头置于驯化反应罐的 底部，驯化反应曝气头的进气口通过连接管与设于驯化反应罐外部的转子流量计及空气压缩 机连接，驯化反应曝气头的曝气量由转子流量计控制，驯化反应罐的罐壁上设有至少1个用 于排水排泥的排泥口;
合成反应器设有恒温水浴槽、合成反应罐、2个微电脑时控器、合成反应曝气头和搅拌 器，合成反应罐置于恒温水浴槽内，合成反应曝气头和搅拌器置于合成反应罐底部，合成反 应曝气头的进气口通过连接管与设于外部的转子流量计及空气压缩机连接，2个微电脑时控 器分别与搅拌器和空气压缩机连接，用于控制曝气与搅拌的时间。
所述污泥驯化及污泥合成聚羟基脂肪酸酯的方法包括以下步骤：
1)取活性污泥投入污泥驯化器的驯化反应罐中，控制曝气量1～3L/L/min，按进水—— 好氧曝气——排泥——沉淀——出水为1个驯化周期进行驯化，连续驯化10～15个周期，得 到驯化稳定的污泥;
2)取驯化稳定的污泥于合成反应器的合成反应罐中，以乙酸为碳源，调pH值为5.0～ 11.0，按曝气——停曝——搅拌的循环间歇曝气方式累积PHAs 6～18h，得聚羟基脂肪酸酯。
在步骤1)中，所述活性污泥的污泥浓度(MLSS)最好为1～4g/L，所述取活性污泥投 入污泥驯化器的驯化反应罐中，最好调节pH 5.0～9.0;所述1个驯化周期最好为20～24h， 所述好氧曝气的时间最好为19～23h，所述沉淀的时间最好为20～30min，排上清液;所述 水最好为培养基溶液，每1L培养基溶液中的成分及在驯化反应体系中的浓度为：CH3COOH 0.4～1.2mg/L，KCl 117～351mg/L，K2HPO4·3H2O 75～225mg/L，NH4Cl 97～291mg/L， MgSO4 75～225mg/L，CaCl2 27～81mg/L，FeCl3·6H2O 5～15mg/L，蛋白胨167～501mg/L，酵 母膏62～186mg/L;所述排泥为排出生长的污泥，以控制驯化反应罐中的污泥浓度不变。
在步骤2)中，所述合成反应罐中的温度最好为20～35℃;所述曝气的过程最好为曝气 15～60min，停曝15～60min，停曝时开启机械搅拌，所述曝气的曝气量最好为1～3L/L/min; 所述搅拌的速度最好为200～500r/min;所述乙酸在合成反应体系中的体积比浓度最好为 2.5～6.0mL/L。
由于本发明采用污泥驯化及污泥合成聚羟基脂肪酸酯的反应装置，将污泥驯化和污泥合 成PHAs结合起来，因此所需设备的结构简单，操作方便，造价低廉。另外，污泥驯化过程 条件简单，容易控制，PHAs合成过程累积时间短，PHAs的产率高达67.0%(PHAs/MLSS)， 适用于PHAs的大规模工业化生产。