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。