公布日：2023.03.17
申請日：2022.12.07
分類號：C12P7/625(2022.01)I;C12M1/38(2006.01)I;C12M1/36(2006.01)I;C12M1/34(2006.01)I;C12M1/02(2006.01)I;C12M1/04(2006.01)I;C12M1/00(2006.01)I;C02F11
/02(2006.01)I
摘要
本發(fā)明涉及污泥資源化利用技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種剩余污泥發(fā)酵液中碳源高效轉(zhuǎn)化為PHA的工藝方法。剩余污泥在適宜條件下通過堿性發(fā)酵可以提高有機物轉(zhuǎn)化為小分子揮發(fā)酸的含量，并釋放大量氨氮和無機磷。對含有高氨氮的發(fā)酵液進行化學預處理，減少游離氨對合成PHA混菌的毒性抑制，從而提高污泥中碳源的利用率，轉(zhuǎn)換成更多的PHA。同時在預處理過程中可以進行氮磷資源的回收利用，得到高價值附加產(chǎn)品鳥糞石，且不需要額外調(diào)節(jié)酸堿，在資源回收的同時節(jié)省成本。本發(fā)明工藝方法減少了廢水處理過程中的剩余污泥排放量，同時實現(xiàn)剩余污泥中氮磷營養(yǎng)物質(zhì)的回收、碳源的高效利用并轉(zhuǎn)化為環(huán)境友好型生物材料。
權(quán)利要求書
1.一種剩余污泥發(fā)酵液中碳源高效轉(zhuǎn)化為PHA的工藝方法，其特征在于，包括以下步驟：S1、濃縮后的剩余污泥補入發(fā)酵罐(11)中進行發(fā)酵；S2、發(fā)酵結(jié)束后發(fā)酵液轉(zhuǎn)移至預處理裝置(21)進行預處理；S3、對合成PHA反應器(31)中的合成PHA混菌進行馴化、富集；S4、預處理后的發(fā)酵液進入合成PHA混菌馴化后的合成PHA反應器(31)，反應結(jié)束后得到PHA。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種剩余污泥發(fā)酵液中碳源高效轉(zhuǎn)化為PHA的工藝方法，其特征在于：所述的步驟S1中剩余污泥為污水處理廠二沉池回流污泥，剩余污泥濃縮后TSS為10～40g/L。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種剩余污泥發(fā)酵液中碳源高效轉(zhuǎn)化為PHA的工藝方法，其特征在于：所述的步驟S1中發(fā)酵參數(shù)為pH值控制在9.5～11，ORP為-250～-450mV，溫度為32～37℃，攪拌速度為150～400rpm，發(fā)酵時間為2～5d。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種剩余污泥發(fā)酵液中碳源高效轉(zhuǎn)化為PHA的工藝方法，其特征在于：所述的步驟S2發(fā)酵完成后發(fā)酵液中NH4+-N的濃度為130～450mg/L，磷酸鹽的濃度為60～200mg/L，VFAs組份中乙酸：丙酸：丁酸：戊酸為6:2:1:1～5:2:2:1。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種剩余污泥發(fā)酵液中碳源高效轉(zhuǎn)化為PHA的工藝方法，其特征在于：所述的步驟S2中向預處理裝置中添加Mg2+溶液，Mg2+溶液為MgCl2和MgSO4的混合溶液，Mg2+溶液濃度為80～300mg/L，MgCl2與MgSO4的質(zhì)量比為1:3～3:5。
6.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種剩余污泥發(fā)酵液中碳源高效轉(zhuǎn)化為PHA的工藝方法，其特征在于：所述的步驟S2中工藝參數(shù)為攪拌速度300～600rpm，反應時間30～70min。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種剩余污泥發(fā)酵液中碳源高效轉(zhuǎn)化為PHA的工藝方法，其特征在于：所述的步驟S3中，在合成PHA反應器中接種污水處理廠好氧池的活性污泥，污泥濃度為6000～8000mg/L，加入4～6g/L酵母浸提物進行曝氣活化，合成廢水中的COD為3000～5000mg/L，其中乙酸鈉：丙酸鈉：丁酸鈉：戊酸鈉為：6:2:1:1～5:2:2:1，以序批方式進行污泥馴化，富集合成PHA混菌。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種剩余污泥發(fā)酵液中碳源高效轉(zhuǎn)化為PHA的工藝方法，其特征在于：所述的步驟S3中，馴化過程12～15h為一批次，進水為20～30min，曝氣時間10～13h，沉淀時間1h，排水30～40min，反應結(jié)束時換水比為1/3～1/2，DO濃度為2～5mg/L，反應溫度為室溫，馴化時間為5～8d。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種剩余污泥發(fā)酵液中碳源高效轉(zhuǎn)化為PHA的工藝方法，其特征在于：所述的步驟S4中PHA的合成條件為已馴化富集的合成PHA混菌濃度4000～6000mg/L，控制溫度為20～25℃，攪拌速度為120～300rpm，DO濃度2～5mg/L，反應時間為2～4h。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種剩余污泥發(fā)酵液中碳源高效轉(zhuǎn)化為PHA的工藝方法，其特征在于：所述的步驟S4中DO濃度出現(xiàn)突然急劇上升(突躍)時，反應結(jié)束。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種剩余污泥發(fā)酵液中碳源高效轉(zhuǎn)化為PHA的工藝方法，以解決現(xiàn)有的PHA合成效率低以及生產(chǎn)成本高的問題。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種剩余污泥發(fā)酵液中碳源高效轉(zhuǎn)化為PHA的工藝方法，包括以下步驟：
S1、濃縮后的剩余污泥補入發(fā)酵罐中進行發(fā)酵；
S2、發(fā)酵結(jié)束后發(fā)酵液轉(zhuǎn)移至預處理裝置進行預處理；
S3、對合成PHA反應器中的合成PHA混菌進行馴化、富集；
S4、預處理后的發(fā)酵液進入合成PHA混菌馴化后的合成PHA反應器，反應結(jié)束后得到PHA。
進一步地，所述的步驟S1中剩余污泥為污水處理廠二沉池回流污泥，剩余污泥濃縮后TSS為10～40g/L。
進一步地，所述的步驟S1中發(fā)酵參數(shù)為pH值控制在9.5～11，ORP為-250～-450mV，溫度為32～37℃，攪拌速度為150～400rpm，發(fā)酵時間為2～5d。
進一步地，所述的步驟S2發(fā)酵完成后發(fā)酵液中NH4+-N的濃度為130～450mg/L，磷酸鹽的濃度為60～200mg/L，VFAs組份中乙酸：丙酸：丁酸：戊酸為6:2:1:1～5:2:2:1。
進一步地，所述的步驟S2中向預處理裝置中添加Mg2+溶液，Mg2+溶液為MgCl2和MgSO4的混合溶液，Mg2+溶液濃度為80～300mg/L，MgCl2與MgSO4的質(zhì)量比為1:3～3:5。
進一步地，所述的步驟S2中工藝參數(shù)為攪拌速度300～600rpm，反應時間30～70min。
進一步地，所述的步驟S3中，在合成PHA反應器中接種污水處理廠好氧池的活性污泥，污泥濃度為6000～8000mg/L，加入4～6g/L酵母浸提物進行曝氣活化，合成廢水中的COD為3000～5000mg/L，其中乙酸鈉：丙酸鈉：丁酸鈉：戊酸鈉為：6:2:1:1～5:2:2:1，以序批方式進行污泥馴化，富集合成PHA混菌。
進一步地，所述的步驟S3中，馴化過程12～15h為一批次，進水為20～30min，曝氣時間10～13h，沉淀時間1h，排水30～40min，反應結(jié)束時換水比為1/3～1/2，DO濃度為2～5mg/L，反應溫度為室溫，馴化時間為5～8d。
進一步地，所述的步驟S4中PHA的合成條件為已馴化富集的合成PHA混菌濃度4000～6000mg/L，控制溫度為20～25℃，攪拌速度為120～300rpm，DO濃度2～5mg/L，反應時間為2～4h。
進一步地，所述的步驟S4中DO濃度出現(xiàn)突然急劇上升(突躍)時，反應結(jié)束。
本發(fā)明的有益效果：該工藝首次將氮磷資源回收應用到剩余污泥發(fā)酵液合成PHA的裝置中，一方面實現(xiàn)剩余污泥中氮磷等資源的回收利用，另一方面加強了剩余污泥中碳源的高效利用合成更多的高附加值產(chǎn)品PHA。與常規(guī)工藝相比，降低發(fā)酵液中氨氮的濃度，緩解高氨氮對合成PHA混菌的毒性，使合成PHA混菌將更多的有機碳轉(zhuǎn)化為PHA，PHA含量高達500～850mg/gVSS。相比較傳統(tǒng)的單一碳源合成PHA，利用剩余污泥中的有機物既可減少合成PHA所需碳源的成本，同時減少剩余污泥的處置費用，實現(xiàn)剩余污泥的資源化利用。此外，該工藝利用堿性發(fā)酵一方面提高水解酸化菌活性的同時抑制產(chǎn)甲烷菌對VFAs的消耗，提高污泥中有機物的利用；另一方面相比較酸性發(fā)酵，為后續(xù)的氮磷資源回收提供合適的pH值，減少整個工藝過程的酸堿調(diào)節(jié)次數(shù)，從而減少投加酸堿藥劑的成本。
本工藝在厭氧發(fā)酵和合成PHA過程中均配備自控裝置，使整個設(shè)備操作簡單方便，同時可以實時監(jiān)控反應過程。通過活性污泥法混菌合成PHA，無需嚴格的無菌條件和無菌生物過程所用的基礎(chǔ)設(shè)施，與單一菌種培養(yǎng)生產(chǎn)PHA相比，成本大幅降低。
（發(fā)明人：杜莉莉;藺洪永;李海松;包海花;王柯丹;王保生;謝佳）
