申請日2014.01.10
公開(公告)日2015.12.23
IPC分類號C02F3/12; C12P7/62; C02F3/30
摘要
一種生物處理廢水以及同時結(jié)合旨在增加用于處理廢水的生物質(zhì)的PHA積聚潛力的過程的方法。該方法包括生物處理廢水和通過使生物質(zhì)經(jīng)受初次盛宴-饑餓過程，提高生物質(zhì)的PHA積聚潛力，其中生物質(zhì)經(jīng)受反復(fù)周期的盛宴和初次饑餓條件。有時，該方法需要從初次盛宴-饑餓過程偏離至二次饑餓過程。二次饑餓過程包括使生物質(zhì)經(jīng)受二次饑餓條件一段時間，該時間顯著大于初次饑餓條件的平均時間。
權(quán)利要求書
1.一種生物處理含有生物質(zhì)的廢水和提高生物質(zhì)的PHA積聚潛力的方法，其包括：
混合含有生物質(zhì)的廢水和生物處理廢水以除去來自廢水的污染物;和
通過以下方面提高生物質(zhì)的PHA積聚潛力：
i.使生物質(zhì)經(jīng)受初次盛宴-饑餓過程，其中生物質(zhì)經(jīng)受重復(fù)周期的初次盛宴和饑餓條件;
ii.除了初次盛宴-饑餓過程，還應(yīng)用二次饑餓過程，其包括：
使已經(jīng)經(jīng)受重復(fù)周期的初次盛宴和饑餓條件的生物質(zhì)經(jīng)受二次饑餓過程，其中生物質(zhì)或生物質(zhì)的部分在給定的時間經(jīng)受二次饑餓條件一段時間，該時間顯著大于初次饑餓條件的平均時間。
2.權(quán)利要求1的方法，其中生物質(zhì)經(jīng)受二次饑餓條件一段時間，所述時間平均少于6天。
3.權(quán)利要求1的方法，其中所述方法在順序批反應(yīng)器(SBR)中進(jìn)行，并包括在SBR中生物處理廢水和使生物質(zhì)在SBR中經(jīng)受初次盛宴-饑餓過程;且其中生物質(zhì)在一個周期的初次盛宴-饑餓過程中已經(jīng)經(jīng)受初次饑餓條件后，偏離初次盛宴-饑餓過程并使生物質(zhì)在SBR中經(jīng)受二次饑餓條件。
4.權(quán)利要求1的方法，其在SBR和側(cè)流反應(yīng)器中進(jìn)行，并包括在SBR中進(jìn)行初次盛宴-饑餓過程和將至少部分生物質(zhì)從SBR轉(zhuǎn)移至側(cè)流反應(yīng)器，并使生物質(zhì)在側(cè)流反應(yīng)器中經(jīng)受二次饑餓條件。
5.權(quán)利要求4的方法，其中至少部分生物質(zhì)在SBR和側(cè)流反應(yīng)器之間來回轉(zhuǎn)移，且其中初次盛宴-饑餓過程在SBR中進(jìn)行，并且生物質(zhì)在側(cè)流反應(yīng)器中經(jīng)受二次饑餓條件。
6.權(quán)利要求4的方法，其中生物質(zhì)包含在SBR中的混合液中且該方法包括使生物質(zhì)在SBR中經(jīng)受重復(fù)的盛宴和饑餓條件，和在SBR中的生物質(zhì)經(jīng)受初次饑餓條件時，通過將至少部分生物質(zhì)從SBR轉(zhuǎn)移至側(cè)流反應(yīng)器并使生物質(zhì)在側(cè)流反應(yīng)器中經(jīng)受二次饑餓條件，進(jìn)行生物質(zhì)的二次饑餓處理。
7.權(quán)利要求4的方法，其中每個初次盛宴-饑餓周期包括初次盛宴期和初次饑餓期;且所述方法包括維持這樣的時間，即，使得生物質(zhì)在側(cè)流反應(yīng)器中經(jīng)受二次饑餓條件大于平均初次饑餓期但少于6天的時間。
8.權(quán)利要求1的方法，其包括連續(xù)流主流過程，其中初次盛宴-饑餓過程在主流中進(jìn)行;和其中二次饑餓過程在側(cè)流中進(jìn)行。
9.權(quán)利要求8的方法，其中主流包括初次盛宴反應(yīng)器和初次饑餓反應(yīng)器，且所述方法包括使生物質(zhì)在初次盛宴反應(yīng)器中經(jīng)受初次盛宴條件，并使生物質(zhì)在初次饑餓反應(yīng)器中經(jīng)受初次饑餓條件;其中側(cè)流包括二次饑餓反應(yīng)器，且所述方法包括使生物質(zhì)在二次饑餓反應(yīng)器中經(jīng)受二次饑餓條件;和所述方法還包括使生物質(zhì)在初次饑餓反應(yīng)器和二次饑餓反應(yīng)器之間來回轉(zhuǎn)移。
10.權(quán)利要求1的方法，其包括在主流中進(jìn)行初次盛宴-饑餓過程;在生物質(zhì)已經(jīng)經(jīng)受至少一個初次盛宴-饑餓周期后，沉淀至少部分生物質(zhì);并將至少部分的沉淀生物質(zhì)轉(zhuǎn)移至二次饑餓反應(yīng)器，并在使生物質(zhì)返回初次盛宴-饑餓條件的條件之前，使生物質(zhì)在二次饑餓反應(yīng)器中經(jīng)受二次饑餓條件。
11.權(quán)利要求10的方法，其中二次饑餓反應(yīng)器位于側(cè)流中。
12.權(quán)利要求10的方法，其中有返回的生物質(zhì)管線，用于將至少部分的沉淀生物質(zhì)從固體-液體分離器導(dǎo)向主流;且其中所述方法包括使生物質(zhì)在返回的生物質(zhì)管線和二次饑餓反應(yīng)器之間來回轉(zhuǎn)移，并使生物質(zhì)在二次饑餓反應(yīng)器中經(jīng)受二次饑餓條件。
13.權(quán)利要求1的方法，其包括：
通過將生物質(zhì)導(dǎo)入并通過在主流中的盛宴和饑餓反應(yīng)器，使生物質(zhì)經(jīng)受初次盛宴-饑餓過程，此后沉淀至少部分的生物質(zhì)并使沉淀的生物質(zhì)返回在主流中的盛宴和饑餓反應(yīng)器，在那里使生物質(zhì)經(jīng)受交互的盛宴和饑餓條件;和
使至少部分的返回的生物質(zhì)經(jīng)受二次饑餓條件，此后使生物質(zhì)返回到主流并被導(dǎo)入和通過其中的盛宴和饑餓反應(yīng)器。
14.權(quán)利要求13的方法，其中二次饑餓反應(yīng)器與生物質(zhì)返回管線連通，所述管線可操作地連接于固體-液體分離器和主流之間。
15.權(quán)利要求1的方法，其包括：
將生物質(zhì)導(dǎo)入在主流中的初次盛宴反應(yīng)器，并使生物質(zhì)在初次盛宴反應(yīng)器中經(jīng)受初次盛宴條件;
在生物質(zhì)已經(jīng)經(jīng)受初次盛宴條件后，將生物質(zhì)導(dǎo)向在主流中的下游初次饑餓反應(yīng)器，并使生物質(zhì)在初次饑餓反應(yīng)器中經(jīng)受初次饑餓條件;
在生物質(zhì)已經(jīng)經(jīng)受初次饑餓條件后，將生物質(zhì)導(dǎo)向固體-液體分離器并從處理的廢水分離生物質(zhì);
使分離的生物質(zhì)再循環(huán)到主流并反復(fù)地引導(dǎo)分離的生物質(zhì)通過初次盛宴和饑餓反應(yīng)器;
繼續(xù)將分離的生物質(zhì)再循環(huán)到初次盛宴和饑餓反應(yīng)器經(jīng)歷選擇的時間;
將至少部分的分離的生物質(zhì)周期地或連續(xù)地導(dǎo)向二次饑餓反應(yīng)器，并使生物質(zhì)在二次饑餓反應(yīng)器中經(jīng)受二次饑餓條件;和
在分離的生物質(zhì)已經(jīng)經(jīng)受二次饑餓條件后，引導(dǎo)至少部分的這種生物質(zhì)回到主流，并使生物質(zhì)在主流中經(jīng)受重復(fù)的盛宴和饑餓條件。
16.權(quán)利要求15的方法，其中在二次饑餓反應(yīng)器中處理的生物質(zhì)，在初次盛宴反應(yīng)器和在初次饑餓反應(yīng)器中經(jīng)先后處理，然后到達(dá)二次饑餓反應(yīng)器。
17.權(quán)利要求1的方法，其中初次盛宴和饑餓條件在初次盛宴和饑餓反應(yīng)器中進(jìn)行，且其中二次饑餓在二次饑餓反應(yīng)器中進(jìn)行，和其中初次盛宴反應(yīng)器被布置在主流中，和初次饑餓反應(yīng)器被布置在第一側(cè)流中，和二次饑餓反應(yīng)器被布置在第二側(cè)流反應(yīng)器中;和其中所述方法包括：
使生物質(zhì)在初次盛宴反應(yīng)器中經(jīng)受初次盛宴條件;
使生物質(zhì)在初次盛宴反應(yīng)器中經(jīng)受初次盛宴條件后，將生物質(zhì)導(dǎo)向固體-液體分離器并從混合液分離生物質(zhì);
使分離的生物質(zhì)導(dǎo)向初次饑餓反應(yīng)器并使分離的生物質(zhì)經(jīng)受初次饑餓條件;
使生物質(zhì)循環(huán)通過初次盛宴反應(yīng)器、固體-液體分離器和初次饑餓反應(yīng)器并回到初次盛宴反應(yīng)器一個選擇的周期數(shù);和
使至少部分的生物質(zhì)從初次饑餓反應(yīng)器轉(zhuǎn)移至二次饑餓反應(yīng)器，并使該生物質(zhì)在二次饑餓反應(yīng)器中經(jīng)受二次饑餓條件;和
使在二次饑餓反應(yīng)器中的至少部分的生物質(zhì)返回到正循環(huán)通過初次盛宴和饑餓反應(yīng)器的其余生物質(zhì)。
18.權(quán)利要求17的方法，其中固體-液體分離器在初次盛宴反應(yīng)器和初次饑餓反應(yīng)器之間可操作地互相連接，且其中在生物質(zhì)在主流中已經(jīng)經(jīng)受初次盛宴條件后和生物質(zhì)已經(jīng)通過固體-液體分離器與混合液分離后，使生物質(zhì)經(jīng)受初次饑餓條件。
19.權(quán)利要求1的方法，其中使生物質(zhì)經(jīng)受二次饑餓條件一段時間，所述時間大于或等于平均初次盛宴-饑餓保持時間或循環(huán)時間。
20.權(quán)利要求1的方法，其包括在主流中進(jìn)行初次盛宴過程;在生物質(zhì)已經(jīng)經(jīng)受初次盛宴條件后沉淀至少部分的生物質(zhì)，并使生物質(zhì)在側(cè)流反應(yīng)器中經(jīng)受初次饑餓條件;其中至少部分的生物質(zhì)在側(cè)流反應(yīng)器和第二側(cè)流饑餓反應(yīng)器之間來回交換，以使生物質(zhì)暴露于也在側(cè)流中的二次饑餓條件。
21.權(quán)利要求1的方法，其包括在主流中進(jìn)行部分的初次饑餓過程;
在生物質(zhì)在主流中已經(jīng)經(jīng)受初次盛宴條件和初次饑餓條件后沉淀至少部分的生物質(zhì);
在側(cè)流中進(jìn)行另一部分的初次饑餓過程，其中生物質(zhì)在側(cè)流中經(jīng)受初次饑餓條件;
使生物質(zhì)在第二側(cè)流反應(yīng)器中經(jīng)受二次饑餓過程;和
使生物質(zhì)在二次饑餓側(cè)流和初次饑餓側(cè)流反應(yīng)器之間來回轉(zhuǎn)移。
22.權(quán)利要求18的方法，其中初次饑餓在固體-液體分離器之前部分實(shí)現(xiàn)。
23.權(quán)利要求1的方法，其中基本上所有的生物質(zhì)同時經(jīng)受二次饑餓條件。
24.權(quán)利要求1的方法，其中僅部分的總過程生物質(zhì)在任何給定的時間重復(fù)地經(jīng)受二次饑餓條件。
25.權(quán)利要求24的方法，其包括使部分的生物質(zhì)重復(fù)地經(jīng)受二次饑餓條件，以致在統(tǒng)計學(xué)上所有的生物質(zhì)平均受由二次饑餓過程賦予的延長饑餓條件的作用的控制。
26.權(quán)利要求1的方法，其中平均每4個固體保持時間(SRT)至少一次，使過程中的生物質(zhì)經(jīng)受用于過程中的生物質(zhì)的二次饑餓條件。
27.一種生物處理含有生物質(zhì)的廢水和提高生物質(zhì)的PHA積聚潛力的方法，其包括：
將含有易生物降解的化學(xué)需氧量(RBCOD)和氮的廢水流導(dǎo)入初次盛宴反應(yīng)器;
在初次盛宴反應(yīng)器中維持缺氧條件并使生物質(zhì)經(jīng)受初次盛宴條件，同時使廢水脫氮;
將來自初次盛宴反應(yīng)器的廢水和生物質(zhì)導(dǎo)向下游初次饑餓反應(yīng)器;
在初次饑餓反應(yīng)器中維持有氧條件并使生物質(zhì)經(jīng)受初次饑餓條件，同時氮化廢水;
使來自初次饑餓反應(yīng)器的廢水和生物質(zhì)再循環(huán)至初次盛宴反應(yīng)器，以引起初次盛宴-饑餓過程，其中生物質(zhì)經(jīng)受重復(fù)周期的初次盛宴和饑餓條件;
至少部分的生物質(zhì)已經(jīng)在初次盛宴反應(yīng)器和初次饑餓反應(yīng)器中經(jīng)受重復(fù)周期的初次盛宴和饑餓條件后，將來自初次饑餓反應(yīng)器的廢水和生物質(zhì)導(dǎo)向二次饑餓反應(yīng)器;和
使生物質(zhì)在二次饑餓反應(yīng)器中經(jīng)受二次饑餓過程，其中生物質(zhì)經(jīng)受二次饑餓條件一段時間，所述時間顯著大于生物質(zhì)在初次饑餓反應(yīng)器中暴露于初次饑餓條件的平均時間。
28.權(quán)利要求27的方法，其包括在缺氧條件下操作二次饑餓反應(yīng)器和在二次饑餓反應(yīng)器中使廢水脫氮。
29.權(quán)利要求27的方法，其中所述方法包括對在過程中懸浮的生物質(zhì)經(jīng)歷固體保持時間(SRT)，和所述方法包括保持生物質(zhì)在二次饑餓反應(yīng)器中少于SRT的一段時間。
30.權(quán)利要求27的方法，其包括將來自二次饑餓反應(yīng)器的廢水和生物質(zhì)導(dǎo)向固體-液體分離器并從廢水分離生物質(zhì);和將分離的生物質(zhì)再循環(huán)到初次盛宴反應(yīng)器和/或初次饑餓反應(yīng)器中。
31.權(quán)利要求27的方法，其中再循環(huán)至初次盛宴反應(yīng)器和/或初次饑餓反應(yīng)器的分離的生物質(zhì)的平均流速是導(dǎo)向初次盛宴反應(yīng)器的廢水流的平均流速的0.2-2.0倍。
32.權(quán)利要求27的方法，其中廢水和生物質(zhì)形成混合液的一部分和其中混合液從初次饑餓反應(yīng)器再循環(huán)至初次盛宴反應(yīng)器的流速是導(dǎo)入初次盛宴反應(yīng)器的廢水的平均流速的1-5倍。
說明書
提高在混合培養(yǎng)生物質(zhì)中的多羥基烷酸酯積聚的能力的生物廢水處理方法
背景
用于除去化學(xué)需氧量(COD)的生物處理廢水產(chǎn)生生物質(zhì)。今天，廢棄的剩余生物質(zhì)代表一種固體廢物處置問題。已引起極大的關(guān)注一個機(jī)會是由生物質(zhì)(例如活性污泥處理的廢水中的生物質(zhì))產(chǎn)生生物可降解的聚合物。這樣，產(chǎn)生的活性污泥的至少部分變?yōu)榭蓮纳飶U水處理過程收獲的有價值的副產(chǎn)物�？墒故斋@的生物質(zhì)積聚顯著水平的生物聚合物，并且現(xiàn)在富含生物聚合物的生物質(zhì)不再是一個處置問題，而且相反，是生物塑料和/或精細(xì)化工的價值鏈中的原材料來源。以這種方式，污泥處置問題可能會轉(zhuǎn)變成一種可再生資源機(jī)會。
已知在過程水和廢水的生物處理中產(chǎn)生的生物質(zhì)可積聚多羥基烷酸酯(PHA)類型中的生物聚合物，所述多羥基烷酸酯為一組由許多天然存在的細(xì)菌種類產(chǎn)生的、作為中間碳和能源庫的聚酯。PHA是可從生物質(zhì)回收并轉(zhuǎn)化為有商業(yè)價值的生物可降解的塑膠(其可用于廣泛范圍的實(shí)際應(yīng)用)的生物聚合物(見例如，US2010/0200498、WO2011/070544A2、WO2011/073744A1、WO2012/022998A1、WO2012/023114A1)。
從學(xué)術(shù)和知識產(chǎn)權(quán)出版物的機(jī)構(gòu)(見例如Salehizadeh和Loosdrecht,BiotechnologyAdvances22(2004)261-279)，已知一種用于提高生物質(zhì)積聚PHA的潛力同時處理廢水的方法涉及所謂的盛宴和饑餓(feastandfamine)策略。盛宴和饑餓意味著進(jìn)行生物處理，以使生物質(zhì)暴露于可獲得的和幾乎不可獲得的、呈易生物降解的COD(RBCOD)形式的底物的交互環(huán)境中。RBCOD可例如包括揮發(fā)性脂肪酸例如乙酸。1克質(zhì)量的乙酸相當(dāng)于1.067克作為化學(xué)需氧量或COD的乙酸。
在盛宴期間，在突然可獲得的RBCOD的條件下，RBCOD在暴露于饑餓環(huán)境后即被生物質(zhì)吸收。在盛宴期間，至少一些RBCOD轉(zhuǎn)化為PHA。在具有低RBCOD可用性的饑餓條件下，在盛宴期間貯存至少一些PHA的生物質(zhì)中的菌群可使用這種內(nèi)部貯存的PHA作為在饑餓期間為了生長和生存的能量和碳的來源。因此，盛宴和饑餓環(huán)境的交替趨向于選擇在生物質(zhì)中具有貯藏PHA能力的菌群的存活。
與在常規(guī)生物廢水處理系統(tǒng)的生物質(zhì)中發(fā)現(xiàn)的典型的最小背景水平相比，通過應(yīng)用盛宴和饑餓條件，生物質(zhì)的PHA積聚潛力(PAP)可以是富集的�；钚晕勰嗟牡湫妥钚”尘癙AP是貯藏PHA至少于約20%g-PHA/g-VSS的水平的能力。富集的PAP可被認(rèn)為是約30%或以上，和優(yōu)選地多于50%g-PHA/g-VSS的積聚潛力。高的PAP使得PHA的積聚過程和隨后的回收更有效，并由此改善生產(chǎn)作為由生物處理的水質(zhì)管理設(shè)施的副產(chǎn)物的PHA的整個過程的經(jīng)濟(jì)性。
從水質(zhì)管理設(shè)施生產(chǎn)PHA可以是涉及生物處理單元過程的整體生物精制概念的一部分，包括但不限于：
1.任選的預(yù)處理例如產(chǎn)酸發(fā)酵，以將有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為RBCOD發(fā)酵產(chǎn)物，例如揮發(fā)性脂肪酸(VFA)。
2.從水中除去有機(jī)污染物并生產(chǎn)具有明顯積聚PHA或富集的PAP的潛力的生物質(zhì)。
3.通過使用來自用于生物質(zhì)生產(chǎn)的相同來源的RBCOD，或者通過使用其它可獲得的RBCOD來源，控制收獲的生物質(zhì)中PHA的積聚，表達(dá)來自2的剩余生物質(zhì)的PAP。
4.從在3中生產(chǎn)的富含PHA的生物質(zhì)回收和純化PHA。
PAP的典型的盛宴和饑餓選擇集中在盛宴和饑餓的循環(huán)方案的時間中維持穩(wěn)定的條件。這就是說，將生物質(zhì)暴露于重復(fù)周期的盛宴和饑餓中，其中總盛宴-饑餓循環(huán)時間是大致恒定的，并且其中饑餓部分一般意思是大于?的這種循環(huán)時間。雖然盛宴和饑餓選擇已經(jīng)反復(fù)地顯示富集在開放的混合培養(yǎng)物中生產(chǎn)的生物質(zhì)的PAP，但結(jié)果還提示，包含生物質(zhì)的微生物群落可以使自身適應(yīng)盛宴-饑餓的方案。通過適應(yīng)，微生物群落可不太可能在PHA積聚過程期間立即達(dá)到其全部PAP的潛力。
發(fā)明概述
本發(fā)明涉及一種生物處理含有生物質(zhì)的廢水和在處理廢水的過程中提高通過生物質(zhì)表達(dá)的PHA積聚潛力的方法�？墒褂酶鞣N生物方法。例如，可使用生物質(zhì)以除去BOD、氮、磷和在市政廢水和其它類型的廢水或過程水流中通常發(fā)現(xiàn)的廣泛范圍的污染物。為了提高生物質(zhì)的PHA積聚潛力，采用初次盛宴-饑餓(選擇)過程。初次盛宴-饑餓過程使生物質(zhì)經(jīng)受重復(fù)周期的盛宴和饑餓條件。這些條件被稱為初次盛宴條件和初次饑餓條件。盛宴和饑餓條件的重復(fù)周期數(shù)可以變化。在一個實(shí)施方案中，將生物質(zhì)暴露于至少兩個重復(fù)周期的交互的盛宴和饑餓條件。
除了將生物質(zhì)暴露于許多交互的盛宴和饑餓周期外，本文描述的過程還涉及引入一次或多次自循環(huán)初次盛宴-饑餓方案的受控制的偏離。偏離過程被稱為二次饑餓過程或簡單地為二次擾動(perturbation)。在二次饑餓過程中，生物質(zhì)或其部分經(jīng)受饑餓條件一段顯著大于平均初次饑餓期的時間。在一個實(shí)施方案中，二次饑餓期長于在前的初次饑餓期的平均值，但少于在過程中的生物質(zhì)的固體保持時間。二次饑餓過程可周期地啟動。如本文所用的，“周期地”意指有時并且在多次初次盛宴-饑餓周期后。即是說，二次饑餓過程不需要基于固定的時間間隔啟動。事實(shí)上，連續(xù)二次饑餓過程之間的時間間隔可以變化。在一些實(shí)施方案中，每4次污泥保持時間(SRT)至少一次發(fā)生二次擾動。
本公開內(nèi)容還涉及用于提高生物質(zhì)的PAP的過程或方法，這樣的提高超過和高于可從使生物質(zhì)經(jīng)受固定的盛宴和饑餓條件的循環(huán)方案所期望的。生物質(zhì)的PAP可受兩個因素的影響。較高的PAP由富含較高部分的菌群的生物質(zhì)所證實(shí)，所述菌群具有將RBCOD轉(zhuǎn)化為細(xì)胞內(nèi)貯存的PHA的代謝能力。較高的PAP也可由于生物質(zhì)在積聚過程的時間的生理狀態(tài)所致。盛宴和饑餓方案選擇儲存PHA的菌群在生物質(zhì)中的優(yōu)選的存活。推測盛宴和饑餓的特定條件，基于時間和有機(jī)負(fù)荷，還控制要制備的那些儲存PHA的細(xì)菌不貯藏比它們需要在盛宴期間貯藏的更多的PHA。典型地，在生物處理過程的實(shí)際條件下，貯存的PHA水平比PHA積聚過程所需的最終水平低。因此，本方面的方法旨在合并PAP富集的條件與傾向于維持具有PHA積聚的改進(jìn)生理狀態(tài)的生物質(zhì)的條件。盡管這種解釋，和對于其它這樣的解釋的可能性，本方法提供超過和優(yōu)于基本盛宴-饑餓策略的那些的增強(qiáng)的過程條件，以致提高的PHA積聚性能得以實(shí)現(xiàn)。
