（环境工程专业论文）碳源对活性污泥合成聚羟基烷酸酯影响的研究.pdf

摘要 摘要 不可降解塑料的大量使用导致的环境污染已引起全球范围内的广泛关注。聚 羟基烷酸酯( p o l y h y d r o x y a l k a n o a t e ，p h a ) 是一种生物可降解塑料，若使用混 合微生物培养的方法( 如活性污泥法) 来合成，则可降低其生产成本，因为反 应过程中不需要无菌条件，并且可以采用污水中的有机物为碳源。本文在长期 运行的序批式反应器中研究和比较了乙酸、乙酸与丙酸的混合物以及剩余污泥 碱性发酵液为碳源对活性污泥合成p h a 总量及p h a 组分的影响，获得了合成 p h a 的合适工艺条件。 通过比较完全好氧工艺以及厌氧好氧工艺长期驯化的活性污泥以乙酸为碳 源对p h a 合成的影响，结果表明，厌氧好氧活性污泥工艺在厌氧条件下利用乙 酸合成p h a 量比完全好氧工艺在好氧条件下利用乙酸合成p h a 量要低。在此基 础上，研究了好氧条件下乙酸加入次数、乙酸浓度及硝化抑制剂( 丙烯基硫脲， a t u ) 对p h a 合成的影响；将乙酸分3 次加入到反应器、乙酸浓度为2 9 2 5 m g l 及 加a 6 7 4 m g l a t u 时，可以使污泥挥发性悬浮固体物( v s s ) 亡p p h a 的含量达到 5 6 3 ，其中聚羟基丁酸( p o l y h y d r o x y b u t y r a t e ，p h b ) 的碳摩尔占p h a 总碳摩尔的 9 6 ，聚羟基戊酸( p o l y h y d r o x y v a l e r a t e ，p h v ) 所占的比例为3 ，二甲基三羟基戊 酸( 3 h y d r o x y 2 m e t h y v a l e r a t e ，p h 2 m v ) 所占的比例低于1 。 根据上述研究结果，采用好氧条件分三次加入有机酸的工艺( 简称好氧动 态进料，a d f ) ，研究了乙酸丙酸混合酸为碳源对p h a 合成的影响。结果表明， 有机酸浓度( 1 5 2 2 、3 0 4 4 、5 9 7 9 及8 9 7 2m g l ) 、乙酸丙酸比例( 乙酸c o d 占 总有机酸的c o d 比例分别为1 0 0 、5 1 2 、2 6 1 、0 ) 、氨氮浓度( 0 2 8 、 1 3 9 1 及6 0 6m e l ) 及磷浓度( o 、1 0 9 及3 5 8m g l ) 等对p h a 合成以及其组 分有明显影响 以乙酸丙酸混合酸为碳源合成p h a 的最佳工艺条件为有机酸 浓度3 0 4 4 m g l 、乙酸c o d 占总有机酸c o d 的比例为2 6 1 、氨氮浓度为 1 3 9 m g l 、磷浓度为1 0 9 m g l ，合成p h a 的量占污泥挥发性悬浮固体物重量的 5 1 1 ，其中p h b 、p h v 及p h 2 m v 分别占p h a 总碳摩尔的1 4 、8 3 及3 。 论文还对活性污泥碱性条件下的发酵液为碳源合成p h a 进行了研究，发现 通过好氧动态进料工艺，可以使合成的p h a 量达到污泥挥发性悬浮固体物重量 的4 7 ，其中p h b 占3 2 、p h v 占4 6 、p h 2 m v 占2 1 。 摘要 通过以上三种碳源对污泥合成的p h a 含量和组分影响的比较可以看出，乙 酸为碳源时，合成的p h a 含量最高，主要成分为p h b ( 9 6 ) ：乙酸丙酸的混 合酸为碳源时，p h a 的合成量有所降低，但p h v 的含量可达8 3 ；发酵液为 碳源时，合成p h a 量比纯乙酸以及乙酸丙酸混合酸为碳源的低，但它提供了 一种资源化利用剩余污泥合成p h a 的新方法。 关键词：活性污泥；聚羟基烷酸酯；好氧合成；乙酸；丙酸：污泥碱性发酵液： i i a b s t r a c t a bs t r a c t t h ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nc a u s e db yt h eu s eo fn o n d e g r a d a b l ep l a s t i c sh a s a r o u s e dg l o b a lc o n c e r n t h ec o s to fp o l y h y d r o x y a l k a n o a t e ( p h a ) ，ab i o d e g r a d a b l e p l a s t i c s ，w o u l db er e d u c e di fp h ac o u l db ep r o d u c e db ym i x e dc u l t u r e ，s u c ha s a c t i v a t e ds l u d g eb e c a u s et h eo p e r a t i o nw i l ln o tb eo p e r a t e du n d e rs t e r i l ec o n d i t i o n s a n dt h eo r g a n i c si nw a s t e w a t e rc a nb eu s e da st h ec a r b o ns o u r c e i nt h i sp a p e rt h e e f f e c t so fd i f f e r e n tc a r b o ns o u r c e s ( a c e t i ca c i d ，a c e t i ca n dp r o p i o n i ca c i d s ，a n dt h e a l k a l i n ef e r m e n t a t i o nl i q u i do fw a s t ea c t i v a t e ds l u d g e ) o np h a s y n t h e s i sa n di t s c o m p o n e n t sw e r es t u d i e da n dc o m p a r e di nl o n gt i m ec u l t u r e ds e q u e n c i n gb a t c h r e a c t o r s ( s b r s ) ，a n dt h es u i t a b l ec o n d i t i o n sf o rm a x i m a lp h ap r o d u c t i o nw e r e o b t a i n e d t h ec o m p a r i s o no fp h as y n t h e s i z e db ya e r o b i cp r o c e s sa n da n a e r o b i ca n d a e r o b i cp r o c e s sw i t ha c e t i c a c i da st h es o l ec a r b o ns o u r c ed e m o n s t r a t e dt h a tt h e a n a e r o b i cp h as y n t h e s i si nt h ea n a e r o b i ca n da e r o b i cs b rw a sl o w e rt h a nt h e a e r o b i cp h a s y n t h e s i si nt h ea e r o b i cs b r f u r t h e rs t u d i e ss h o w e dt h a tt h ef r e q u e n c y o fa c e t i ca c i da d d i t i o n ，t h ec o n c e n t r a t i o no fa c e t i ca c i da n dt h eu s eo fn i t r i f i c a t i o n i n h i b i t o r ( a l l y lt h i o u r e a ，a t e ) a f f e c t e dp h as y n t h e s i s u n d e rt h ec o n d i t i o n so fa c i d i c a c i da d d e d f r e q u e n c yo f3 ，a c e t i ca c i dc o n c e n t r a t i o n2 9 2 5 m g la n da t uo f6 7 4 m g l t h ep h ac o n t e n ti ns l u d g er e a c h e d5 6 3 ( v o l a t i l es u s p e n d e ds o l i d sb a s e d ) ，w i t ha c a r b o nm o l ep e r c e n t a g eo fp o l y h y d r o x y b u t y r a t e ( p h b ) 9 6 ，p o l y h y d r o x y v a l e r a t e ， ( p h v ) 3 ，a n dp o l y 3 - h y d r o x y - 2 一m e t h y v a l e r a t e ( p h 2 m v ) l e s st h a n1 u s i n g t h em i x t u r eo fa c e t i ca n dp r o p i o n i ca c i d sa st h ec a r b o ns o u r c e s ，t h ea e r o b i c d y n a m i cf e e d i n g ( a d f ) p r o c e s sw a sa p p l i e dt op r o d u c ep h a i tw a so b s e r v e dt h a t t h ec o n c e n t r a t i o no fo r g a n i ca c i d s ( 1 5 2 2 ，3 0 4 4 ，5 9 7 9a n d8 9 7 2m g l ) ，t h er a t i oo f a c e t i ca n dp r o p i o n a t e ( a c e t i cc o d a c c o u n t i n gf o r1 0 0 ，51 2 ，2 6 1 a n d0 o ft h e t o t a lo r g a n i ca c i d sc o d ) ，c o n c e n t r a t i o no fa m m o n i an i t r o g e n ( 0 2 8 ，1 3 9 1a n d6 0 6 m e l ) a n ds o l u b l eo r t h o - p h o s p h a t e ( 0 ，1 0 9a n d3 5 8m e l ) i n f l u e n c e dp h a s y n t h e s i sa n di t sc o m p o s i t i o n s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep h ac o n t e n ta c c o u n t i n g i a b s t r a c t f o rv s sc o u l dr e a c h51 1 u n d e rc o n d i t i o n so fo r g a n i ca c i d s3 0 4 4m e l ，a c e t i ca c i d c o d2 6 1 ，a m m o n i an i t r o g e n1 3 9 m g 几a n ds o l u b l eo r t h o - p h o s p h a t e1 0 9m g 几 t h es y n t h e s i z e dp h ac o n t a i n e dp h b1 4 ，p h v8 3 a n dp h 2 m v3 t h es y n t h e s i so fp h aw a sa l s oi n v e s t i g a t e dw i t hs l u d g ea l k a l i n ef e r m e n t a t i o n l i q u i da st h ec a r b o ns o u r c e b yt h eu s eo fa d ft e c h n o l o g y , t h es l u d g ep h a c o n t e n t r e a c h e d4 7 ，a n dt h ef r a c t i o no fp h b ，p h v ，a n dp h 2 m vw a s3 2 ，4 6 a n d21 f r o mt h ea b o v ei n v e s t i g a t i o n s ，i tc a nb es e e nt h a tt h ep h ac o n t e n tw a st h e h i g h e s tw h e na c e t i ca c i dw a sc a r b o ns o u r c ea n dt h em a i ni n g r e d i e n tw a sp h b ( 9 6 ) t h ep h ad e c r e a s e dw i t ht h em i x t u r eo fa c e t i ca n d p r o p i o n i ca c i d sa sc a r b o ns o u r c e ， b u tp h vp e r c e n t a g ei n c r e a s e dt o8 3 a l t h o u 曲t h ep h a p r o d u c t i o nw a sr e l a t i v e l y l o w e rw i t hs l u d g ea l k a l i n ef e r m e n t a t i o nl i q u i da sc a r b o ns o u r c e ，i tp r o v i d e dan o v e l m e t h o df o rp h a s y n t h e s i sb yt h er e u s eo fw a s t ea c t i v a t e ds l u d g e k e y w o r d s ：a c t i v a t e ds l u d g e ；p o l y h y d r o x y a l k a n o a t e ；s y n t h e s i s ；a c e t i ca c i d ；p r o p i o n i c a c i d ；s l u d g ea l k a l i n ef e r m e n t a t i o nl i q u i d i v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提 供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国 家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名：套体 即9 年月7 8 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 冷彳易 伽9 年7 月 第1 章引言 1 1 课题来源与研究意义 1 1 1 课题来源 第1 章引言 本课题来源于霍英东基金项目“基于代谢调控的污泥产酸与聚羟基烷酸合 成的组合系统”，“项目编号：1 0 1 0 8 0 ”。 1 1 2 研究背景和意义 随着经济和社会的发展，化学合成塑料所造成的“白色污染变得越来越 严重。目前，塑料垃圾以每年2 5 x1 07 t 的速度在自然界中积累，其填埋、焚烧 等处理过程中表现出了许多影响环境的弊端。因此，加强可生物降解塑料的研 究与丌发，争取在工艺上取得突破并应用于实际，生产出具有生物可降解性且 价格合理的塑料制品，对于环境保护和可持续发展都具有重要的现实意义。 生物聚羟基烷酸酯( p h a ) 是微生物在不平衡生长( 如碳源过量) 时于胞内合成 并积累的一种聚合物，可作为胞内能量和碳源贮藏性物质；同时p h a 也是一类 可降解塑料，不仅具有与化学合成高分子材料( 如聚丙烯) 相似的性质，而且 还有一般化学合成高分子材料所不具有的性质，如可完全生物降解性、生物相 容性、压电性、光学活性等特殊性质。因此，p h a 是合成塑料的理想替代品， 具有广阔的应用前景，成为国内外的一个研究热点。 p h a 难以大规模生产和使用的一个主要原因是生产成本较高，因为与从石油 中提取物质的生产塑料的费用相l 匕p h a 的生产费用过高【1 2 】，为了使p h a 能够广 泛商业化使用，在细菌菌株的培养和发酵回收工艺方面做出了大量的研究来降 低生产p h a 的费用l 孓5 1 。也有文献研究表明，p h a 生产的主要费用为底物的费用 1 6 】。如果能在无需无菌操作的条件下生物合成p h a ，这也将有助于降低p h a 的生 产成本。 为了降低p h a 的生产成本，本文对活性污泥合成p h a 的工艺条件进行了研 第1 章引言 究，着重研究了不同碳源对于p h a 合成的影响，特别是以剩余污泥发酵产生的 短链脂肪酸作为碳源对p h a 合成的影响。 1 2 研究内容与技术路线 1 2 1 研究内容 以往的试验采用厌氧好氧工艺合成p h a 较多，且对合成p h a 的碳源鲜有 较为系统的研究，尤其是将剩余污泥资源化产生的发酵液作为碳源更是一个较 新的思路。本文在研究探索合成p h a 的工艺条件的同时，研究了不同碳源对 p h a 合成组分的影响，因此本文的主要研究内容包括以下几个部分： ( 1 ) 乙酸为碳源合成p h a 的影响因素的研究。首先对厌氧好氧工艺与好 氧工艺合成p h a 进行对比，并对好氧工艺加入乙酸次数进行比较；其次研究了 不同乙酸浓度对p h a 合成的影响，分析了p h a 的组分、溶解性磷、氨氮以及 糖原等指标变化与p h a 之| 、日j 的变化关系，确定了有利于合成p h a 的乙酸浓度； 在此基础上添加不同量的硝化抑制剂观察微生物合成p h a 的情况。 ( 2 ) 乙酸丙酸混合酸为碳源合成p h a 的影响因素。首先，研究了不同的 总有机酸的浓度条件下一个周期内p h a 合成量的变化，同时详细讨论了p h a 中各组分的组成和变化；其次，研究了乙酸丙酸的不同比例对p h a 合成量以 及p h b 、p h v 和p h 2 m v 的影响；最后对微生物生长所必需的生长要素( 如， 氮、磷等元素) 的浓度不同对p h a 合成量的影响也做了进一步的研究。 ( 3 ) 污泥发酵液为碳源合成p h a 的影响因素。首先，通过不同比例( 发 酵液的c o d 比例占原水中总c o d 的3 0 、6 0 、1 0 0 ) 的发酵液驯化微生物， 并分析测定一周期合成p h a 情况；最后碳源完全为发酵液，研究初始发酵液 c o d 浓度不同对p h a 合成的影响。 在上述3 组实验中，发酵液为碳源需要回收氮磷，其工艺流程最为复杂， 下面以发酵液为碳源的实验流程为例简要说明仪器装置示意图，如图1 1 所示。 2 第1 章引言 搅拌器 污泥 离心液 - _ _ _ 一 1 2 2 技术路线 一 一i 氮磷去除罐 7 磁力搅拌器 图1 1 仪器装置示意图 f i g1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fe q u i p m e n t s 一排水 其中本文研究的技术路线见图1 2 。 以乙酸为碳源的研究中着重研究了厌氧好氧工艺与完全好氧工艺的比较， 然后考察了好氧动态进料与一次性进料的工艺比较( 即对乙酸的加入次数对 p h a 合成的影响进行了分析) ，综合得出的较好的工艺条件进行进一步的研究， 如乙酸的浓度、硝化抑制剂等因素对p h a 合成的影响。 以乙酸丙酸的混合酸为碳源重点研究了乙酸丙酸的总c o d 浓度、混合酸 中乙酸丙酸的比例、氨氮浓度以及溶解性正磷的浓度对合成p h a 的影响，从而 得出活性污泥微生物合成较高的p h a 量同时p h a 组分中的p h v 含量也较高的 最优化工艺条件。 以污泥发酵液为碳源合成p h a ，重点研究了发酵液所占的比例不同对p h a 合成的影响，进一步研究了碳源全部为发酵液时不同的发酵液浓度对p h a 以及 其中各组分尤其是p h v 的合成情况。 3 排泥 第1 章引言 图1 2 研究技术路线图 f i g u r e1 2t e c h n i c a lr o u t eo ft h i ss t u d y 1 3 聚羟基烷酸酯( p h a ) 的研究概况与进展 1 3 1 聚羟基烷酸酯的概述 ( 1 ) p h a 的基本性质 4 第1 章引言 p h a 是h a s 的高聚物，根据单体的碳原子的数目，p h a 可分为：短链( s c l ) p h a ，其碳原子数目为3 5 ；中链p h a ，其碳原子数目为6 1 4 ；长链p h a ，其 碳原子数目为1 5 个以上。这是因为那些专属性的p h a 的聚合酶只能作用于一 定长度的3 h a 7 1 。 p h a 的物理性质 对p h b 和p h b v 的物理性质和热力学性质与传统塑料性质的比较有了较为 深入的研究，p h b 的机械性质与聚丙烯相当，另一方面，p h b 与聚丙烯的化学 性质却相差很大一p h b 的抗紫外线的能力比聚丙烯强，但抗溶解的能力却比聚 丙烯差。物理性质方面，p h b 比较硬【8 l 储存几年后变得很脆【9 】，而且p h b 的延 伸率5 易折断，因此，通过将p h b 与其它共聚物单体：如3 h v 一起聚合来降 低其脆性，同时拉力强度上升，延展性也随着3 h v 含量的增加而提高，因此能 够大规模生产使用。 p h a 的生物降解性 p h a 的最具商业优势的特点就是在有微生物存在的自然环境下完全的生物 降解性，已经从多种环境中分离出许多好氧和厌氧降解p h a 的细菌及真菌，实 验表明：所有这些p h a 的分解菌都能合成并积累p h a 1 0 】。 p h a 用途 生物塑料已有多种用途【1 1 1 ，例如：德国、日本和美国已将生物塑料用于化 妆品和其它同用品的包装；用生物塑料制成的汽油桶也己有生产【1 2 】，当然，其 应用范围不仅局限与此，用p h a 制作的骨盘、手术缝合线等医用物品也已处于 试验试验阶段：此外，p h a 还可制作药剂、荷尔蒙、除草剂、杀虫剂的延缓剂， 以及用于农业生产和食品加工过程中【1 3 】；可以预见，当生产成本降低后，p h a 的应用范围将逐渐扩大。 ( 2 ) 可以合成p h a 的微生物 能积累p h a s 的微生物主要是细菌，至少有5 0 多种，包括好氧和厌氧的异养 型细菌，如拜氏固氮菌( a z o t o b a c t e rb e i - j e r i n c k i i ) 和生枝动胶菌( z o o g l o e ar a m i g e r a ) 还有许多甲基营养型生物、好氧和厌氧型光营养生物，如佛氏绿胶蓝细菌 ( c h l o r o g l o e af r i t s c h i i ) ，深红红螺菌( r h o d o s pi r i l l u mr u b r u m ) 、奥氏着色菌 5 第1 章引言 ( c h r o m a t i u mo k e n i i ) 和古细菌( 如地中海富盐菌属( h a l o f e r a x m e d i t e r r a n e i ) 等，在合 适的条件下，也能大量积累p h a s i l4 。常用于积累p h a s 的微生物种类主要是假 单胞菌( p s e u d o m o n a s ) 、产碱短杆菌、产氨短杆菌和固氮菌等。近年来，借助遗 传工程的手段，将积累p h a s 相关的酶基因转导入大肠杆菌、酵母菌甚至植物体 内，极大地丰富了积累p h a s 的物种范围【1 5 ，1 6 1 。各种生物积累p h a s 所要求的碳 源底物不尽相同。例如假单胞杆菌以甲醇为底物，固氮菌和芽孢卡t 菌则以葡萄 糖为底物。光合自养好氧菌以c 0 2 为底物，而光合自养厌氧菌则以乙酸为底物。 能被微生物用于积累p h a s 的常见碳源除了上述谈到的之外，还有甘露糖醇f 好 氧杆菌) 、甲醇( 好氧杆菌) 、甲烷( 甲基营养菌) 、丙酮酸( 鞘细菌) 、谷氨酸( 柄细菌) 等，有些微生物只能利用一种碳源，如光合自养好氧菌，但也有些微生物能利 用多种碳源合成p h a s ，如柄细菌既能利用葡萄糖，也能利用谷氨酸进行p h a s 积累。 ( 3 ) 研究p h a 合成方法的重要意义与现状 化学合成塑料广泛的应用于各行各业和人们的同常生活，成为现代社会不 可缺少的重要高分子材料。但也引起了很多问题：( 1 ) 化学合成塑料的不可降 解性使大量的塑料废弃物对环境造成严重的污染：( 2 ) 废弃塑料的回收利用率 很低，传统以末端治理为主的塑料立即处理方法虽然能在一定程度上减轻塑料 垃圾的污染，但代价昂贵，且易造成二次污染；( 3 ) 对塑料餐盒等提高价格， 虽然可以通过经济杠杆一定程度上控制用量，但并不能从根本上解决问题；( 4 ) 化学合成塑料依赖石化碳源，增加温室气体的排放，造成资源的巨大浪费【1 刀。 因此，在人类环境保护意识日益提高的今天，研制与开发可降解塑料，减轻污 染意识当务之急，势在必行。 目前，世界上许多国家都在积极开展这方面的研究，并已有许多产品问世。 如将光敏基团或者淀粉、纤维素、微生物聚酯等掺入聚乙烯、聚丙烯等，这类 塑料可被光解或者微生物分解成微小片段，使其结构完整性受到破坏，从而减 轻环境污染，但形成的微小塑料片段极有可能造成二次污染，所以对这类部分 可降解塑料目前仍然有异议。完全以微生物聚酯为原料制成的塑料，在自然条 件下可被一些微生物完全分解利用，从而不会对环境造成任何污染。p h a 便是 其中较为重要的并已经开始投放市场的一种塑料原材料。p h a 除具有完全的生 物降解特性外，还具有与化学合成塑料相似的物理机械特性，并具有很高的通 6 第1 章引言 用性和宽阔的物理性能，从硬的到高弹性的都有，对热水和油脂有很好的屏障 性能；其各种配方可以在现有的设备上加工，能通过注射成型、热力塑型、吹 膜、熔融挤出铸造等工艺加工成为薄膜、薄片、纸张涂层等1 1 7 】有较广泛的应用 前景。 十几年来人们在微生物学、生物化学以及分子生物学等多方面对微生物合 成p h a 进行了研究，积累了丰富的资料。p h a 是原核生物在不平衡代谢条件 下形成的碳源和能源储藏物质，这种储藏物质如同植物的淀粉、动物的糖原一 样，当生命活动需要时可以再分解利用，多羟基烷酸在微生物体内广泛存在， 已知能积累p h a 的微生物包括革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、好气菌、厌气菌、 化能菌、固氮菌和光合细菌等1 1 8 j 。 目自订国外已经通过纯种细菌发酵法小规模生产p h a ，如美国m o n s a n t o 公 司和英国i c i 公司均以微生物发酵方式生产生物可降解塑料。美国的m e t a b o l i x 公司还因其利用生物技术制造天然塑料p h a 而荣获2 0 0 5 年小企业奖外，很多 外国学者丌展了大量合成p h a 方面的研究。从最初的采用纯种微生物1 1 9 之1 】到提 出采用混合菌种来合成p h a ，并努力寻求适合的碳源1 2 2 , 2 3 l 降低成本，同时改进 工艺条件提高p h a 的产量。 同时国内学者也积极开展了有关p h a 合成及降低成本方面的研究，并取得 了理想的成果。清华大学的陈国强等用废糖蜜、水解淀粉为原料，采用基因工 程菌合成p h a ，并改良p h a 的物理特性，生产成本在5 0 元公斤，产品出口美 国，获得了良好的经济效益，l 矧。贺文楠等学者利用从油田土壤中筛选的菌种 d g l 7 以葡萄糖为碳源通过微生物发酵法合成聚羟基烷酸酯，在单位微生物中 获得了高达6 5 6 的p h a l 2 5 1 。西北大学的董兆麟等研究人员承担了“可完全降 解生物塑料一聚羟基烷酸酯”的国家8 6 3 课题，采用多菌种混合培养技术是微生 物中的p h a 含量达到8 5 以上，生物量达5 3 9 l ，同时采用冷冻处理技术避免 了氯仿的使用，有效降低了成本，每公斤成本在4 美元左右1 2 6 1 ，但这些工艺大 多采用纯种微生物，生产原料主要是葡萄糖丙酸等价格昂贵的有机物。在工艺 运行过程中，要求灭菌消毒，保证发酵系统无杂菌存在。因此，这种p h a 大多 应用于医学领域( 如医疗植入和人体组织工程的可降解性医用高分子材料) 及 科学研究中，而在同常生活中大量使用还不现实。 7 第1 章引言 1 3 2 活性污泥合成聚羟基烷酸酯的代谢机理 ( 1 ) 胞内聚合物及其代谢机理 。一量_ 。 一莹_ 。 l _ 呈_ 。 生物除磷系统中的聚磷通常是通过染料( 亚甲基蓝或甲苯胺蓝) 染色来检 测。聚磷在生物中的组成和胞内位置还没有定论，部分研究者1 2 9 弓1 j 认为聚磷位 于细胞质，也有研究者认为聚磷与细胞膜相连，或与蛋白质、d n a 和r n a 合 成有关【2 2 1 。 对于一般微生物而言，聚磷在细胞中的主要作用为：( 1 ) a t p 的来源。通 过聚磷酶：a m p 磷转移酶和腺苷酸激酶的作用，聚磷在磷酸化和无机磷的贮 存过程中作为磷酸盐供体提供a t p ；( 2 ) 贮存m 9 2 + 。当m g “成为限定条件时， 聚磷提供细胞m 9 2 + ；( 3 ) 维持重金属( 如镉) 容许量，通过金属磷酸盐转移系 统排泄重金属；( 4 ) 提供部分细菌合成细胞所需的营养和平衡渗透压。 聚磷在聚磷菌中是否也起上述作用还不清楚，但目前普遍认为，聚磷菌中 的聚磷主要为磷贮存器和能量贮存器。有研究表明，聚磷菌中存在低分子和高 分子的聚磷，低分子的聚磷在厌氧条件下起能量贮存器的作用，高分子的聚磷 8 第1 章引言 作为磷贮存器用于细胞生长1 3 引。聚磷作为磷贮存器时，通过结合胞外聚磷酸酶 转化为p i ，用于微生物新陈代谢。聚磷作为能量贮存器的作用表现为替代a t p 或产生a t p ，即当细胞内聚磷水平远远高于a t p 水平时( 即a 1 脚p 比值低) ， 聚磷能水解生成a t p 。目前认为该过程可能有三种机理i 冽：一是聚磷激酶的直 接催化；二是通过a m p 磷转移酶和腺苷酸激酶反应生成a d p ，从而生成a t p ： ( p i ) n + a m p 一( p i ) n + 1 + a d p 三是聚磷释放的磷与金属离子螯合，并与一个 质子结合后被输出胞外，产生质子推动力( p m f ) ，从而产生a t p 。 p h ap h a 存在于细胞质中，是被膜包围的0 2 0 5 t m 的微粒。由于其低 水溶性和高分子量，是理想的碳能量贮存物质。厌氧条件下，s c f a 被聚磷菌 吸收贮存为p h a 。聚磷菌中贮存的p h a 是典型的多聚物，包含大多数聚羟基 丁酸( p h b ) 和聚羟基戊酸( p h v ) 以及少量二甲基三羟基丁酸( p h 2 m b ) 和 二甲基三羟基戊酸( p h 2 m v ) ( 见表1 1 ) ，其组成取决于碳源的性质和浓度： 碳源为乙酸时，主要生成p h b ；当碳源为丙酸时，主要生成p h v 。p h a 也是 反硝化的主要碳源之一1 3 3 j 。 在乙酰辅酶a 存在的条件下，p h a 合成不需要a t p 的直接参与，但是需 要还原念的氢载体n a d h 。在厌氧条件下，由于不存在最终电子受体，n a d h 的氧化受到抑制，p h a 的合成发生。当胞内n a d + 和辅酶高，同时乙酰辅酶a 低时，p h a 分解。p h a 的合成需要n a d h 的参与。 表1 1 聚磷菌中p h a 细份形式 t a b l e1 6c o m p o n e n t so fp h ai np a om e t a b o l i s m 糖原 糖原( g l y c o g e n ) 是由多个葡萄糖组成的带分枝的大分子多糖，是胞内 糖的贮存形式。分子中葡萄糖主要以a 一1 ，4 - 糖苷键相连形成直链，部分以a 一1 ，“ 糖苷键相连构成支链。目前普遍认为聚磷菌中糖原的主要作用是为p h a 的合成 提供n a d h 。s a t o h 等【划在研究中发现p h a 中p h v 组份的形成需要乙酰辅酶 9 第1 章引言 和丙酰辅酶，即微生物胞内存在产生丙酰辅酶的代谢途径，并假定在糖原代谢 过程中产生的丙酮酸通过琥珀酸一丙酸途径生成了丙酰辅酶，如图1 4 所示： ( 产生1 4 a d h ) 【产生能量】 溏原+ 磷酸烯醇式丙酮酸一丙酮酸- 乙酰辅酶a 。，。；耗耋；jll：；f：=i-r-f f h l + 一- f 川 【消耗能量】一- 草酰艺酸盐琥珀酰辅酶- 丙酰辅酶a ( 消耗n a d h ) 1 3 h v 单体( p h a ) l r o o o o o o o o o o o o - - _ _ - 一 ( 消耗n a d h ) 图1 4 聚磷菌胞内糖原代谢途径 f i g 1 4s c h e m a t i cd i a g r a mf o rg l y c o g e nm e t a b o l i s mm o d e lo fp a o s a t o h 等1 3 4 j 的试验结果表明，当聚磷菌厌氧吸收基质时，产生的p h a 含大 量p h v ，p h a 中的p h v 由一分子乙酰辅酶a 和一分子丙酰辅酶a 组成，因此， 除产生乙酰辅酶a 外，还应该有产生丙酰辅酶a 的机理。s a t o h 等【3 4 】和l i u 等 1 3 5 j 认为部分丙酮酸转化到丙酰辅酶a ，厌氧细菌有两种途径实现这种转化：琥 珀酸一丙酸途径和丙烯酸途径1 3 6 。因为琥珀酸一丙酸途径中的化合物可能更容 易被聚磷菌代谢，推测其为主要途径1 3 7 , 3 8 j ，此过程消耗还原力。考虑通过糖降 解提供还原力并产生乙酰辅酶a 和通过琥珀酸一丙酸途径产生丙酰辅酶a 并消 耗还原力，可得出厌氧聚磷菌吸收不同碳源的生化模型( 图1 5 ) 。 根据模型，聚磷菌细胞中的糖原将起到调节氧化还原平衡的作用，糖原转 化为乙酰辅酶a 和c 0 2 生成n a d h ，而通过琥珀酸一丙酸途径转化为丙酰辅酶 消耗n a d h 。在实际生物除磷过程中，聚磷菌在厌氧段吸收各种不同氧化或还 原态的有机基质，而不破坏细胞内氧化还原平衡。因此，糖原维持微生物细胞 氧化还原平衡对聚磷菌的生长起重要作用。 1 0 第1 章引言 ( a ) c o m e a u w e n t z e l 模型 昶外 f 一越呦h lm 口l c h 越一 广趾丁= 军三嗣 口m_m订区卜塔一d矗i ( 0 2 5 + 0 t ) k t p _ 第k 抛要c 了圳 垅1 ( b ) m i n o 模型 朐丹 l 丑o i c h k r 融广。：要 1 0 3 3 + a ) m 0 1 d i 粟 。詹工匣 ( c ) 修正m i n o 模型 图1 5 聚磷菌厌氧利片j 乙酸生化代谢途径示意图 f i g u r e1 5s c h e m a t i cd i a g r a m so ft h ea n a e r o b i cm e t a b o l i s mo fp a of e dw i t ha c e t i ca c i da st h e s o l ec a r b o ns o u r c e 1 1 第1 章引言 1 3 3 活性污泥合成聚羟基烷酸酯的工艺研究进展 ( 1 ) 合成p h a 的主要碳源 乙酸、葡萄糖等作为碳源：传统的p h a 合成工艺常采用乙酸、葡萄糖等作 为原料f 3 9 】，经s b r 反应器驯化后得到具有高p h a 贮存能力的微生物。将剩 余污泥取出，再投加乙酸、葡萄糖等碳源，让微生物贮存高浓度p h a ，随后以 微生物提取p h a 。乙酸盐作为碳源主要生成羟基丁酸( h b ) 单元，丙酸盐主要生 成羟基戊酸( h v ) 单元，而使用混合酸将得到共聚物。聚磷菌吸收乙酸生成h b 与h v 的共聚物，其中h b 单元占主体的6 9 - 1 0 0 ，h v 占0 - 3 1 。d i o n i s i 等【2 2 】用丙酸得到聚羟基戊酸( p h ，用乙酸和丙酸的混合物得到共聚物 ( 3 4 h b 和6 6 h v ) 。使用乙酸、丙酸、丁酸和戊酸的混合物可得到h b 与 h v 的共聚物( 5 0 ：5 0 ) 。 其它基质，如乙醇、乳酸盐、以及谷氨酸盐也可由活性污泥转化为p h b l 2 2 1 。 使用乳酸盐，= i ；= 果酸盐，琥珀酸盐，丙酮酸盐和天冬氨酸盐作基质时，可得到 3 h 2 m b ( 3 羟基2 甲基丁酸) 、3 h 2 m v ( 3 羟基2 甲基戊酸) 单体【矧。 采用价格低廉的有机废物作为碳源，如厨余垃圾、农业和食品工业废水、 市政污水等，将有效降低p h a 生产成本【4 。杨幼慧等1 4 2 】对四家食品和生活污 水处理厂活性污泥积累和发酵生产p h a 的能力进行了研究。结果表明，不同 来源活性污泥自然积累p h a 的能力有较大差异，不同工厂活性污泥经过驯化、 发酵后，均可有效富集p h a 积累菌，p h a 产量大幅度提高，其中珠江啤酒厂 活性污泥中的p h a 含量达1 0 5 ，较驯化前增加了1 0 5 倍。m e e s t e r s 等比较 了有机废物生产p h a 的能力【4 引。有研究人员【4 4 1 提出的厌氧好氧活性污泥法 生产p h a 的理论工艺模型。该模型以传统的活性污泥法处理污水为基础，分为 传统的活性污泥污水处理工艺和厌氧好氧p h a 生产工艺两部分。传统活性污 泥法工艺产生的剩余污泥部分用于p h a 生产，碳源则利用工业废水等有机废 物，可同时做到污水有效处理和p h a 合成成本的降低，具有良好的可行性和 非常好的工业应用前景。 1 2 第1 章引言 ( 2 ) 合成p h a 的影响因素 碳源对合成p i - i a 产量和组成的影响。用乙酸驯化的活性污泥，比用丙酸驯 化的活性污泥能更有效的贮存p h a 。并且贮存量主要由进料基质决定，其次是 选择得到的微生物种类。研究人员通过实验结果推测了由乙酸、丙酸、丁酸、 戊酸生成p h a 各单体的可能途径，见图1 6 。其中由丙酰辅酶a 生成乙酰辅酶 a 有多种途径，如：2 甲基柠檬酸循环，丙烯酰辅酶a 途径，以及甲基丙二酰 辅酶a 途径等。这与d i o n i s i 等1 2 2 l 的推测有些不同，他们认为丙酰生成p h v 中，由丙酸生成乙酰辅酶a 是限速步骤，并且生成的乙酰辅酶a 完全用于 h v 而不用于h b 生成。因此，由挥发性脂肪酸合成p h a 的机理有待进一步 研究。 甲c q 勰k a 支靠己簸辆蛹 ；：三靠 一r 艟一轻辏r 醌每嘈执始萋趣酰薅 酶a 一j 毙酸 ll 芋叠琴f 酸鼯基浅跫 图1 6 乙酸、丙酸、丁酸和戊酸生成聚合物的可能途径 1 x ，2 x 表示一个或两个单元氧在p h a 合成中的优化 研究发现，微生物吸收乙酸转化为p h b 的效率与氧浓度密切相关。氧是合 成a t p 、将乙酸转移到细胞内的必要条件，但浓度过高又会限制p h b 的生成。 在氧限制条件下，乙酸转化为p h b 的量( y p h b a c ) 为0 6 8 c m o l c m o l ，而在氧过 量时，y p h b a c 降至0 4 8 c m o l c m o l 。为提高基质的吸收速率以及高的p h b 生 成水平，可以通过氧供给量来控制。限制氧浓度可以在微生物生长量最少时优 化p h b 产量。初步估计，d o 浓度近似于氧半饱和常数k s 0 2 ，比较适用于乙酸 型废水。而一些含糖类、磷或脂肪酸的废水的氧浓度控制需要进一步研究。 p h 值对p h a 合成的影响 研究发现p h i 8 时，将有利于用合成废水驯化的活性污泥生产p h a 。当 一 蕊黼 靼兜 坌 瀚燃+ 二r 乒 峨 第1 章引言 p h 值为7 8 时，驯化阶段污泥合成p h a 能力不受p h 值影响，这也说明活 性污泥可以稳定合成p h a 。但序批实验发现，在p h 值为6 和7 时，p h a x , 2 4 几 乎可以忽略，少于污泥干重的5