（环境工程专业论文）稳恒磁场对活性污泥合成聚羟基烷酸酯的影响研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 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 ) 因与化工合成塑料( 聚乙烯、 聚丙烯等) 的性质十分相似，又具有生物可降解性，是化工合成塑料的优良替代 品，但其高昂的生产成本限制了它的广泛应用。本研究将磁场生物效应引入活性 污泥p h a 合成系统，旨在利用磁场的生物效应提高p h a 合成的产率，降低p h a 的生产成本。着重从以下三方面展开研究： 1 、在活性污泥驯化过程中，从污泥停留时间( s r t ) 、c p 、饥饿期与丰盛 期的持续时间比、初始负荷、负荷增加率、c n 和初始p h 这七个因素中筛选出 关键因素，并对关键因素进行优化，建立一种快速、有效的驯化方法。 2 、不同磁场强度下，通过改变磁场作用方式和作用时间，研究作用方式、 作用时间对p i - b 合成的影响，优化最佳的磁场处理条件。 3 、不同磁场强度下，通过改变系统的s r t 、p h 条件，研究s r t 、p h 对p h a 合成的影响，优化活性污泥合成p h a 工艺条件。 主要研究结果如下： 1 、基于p l a c k e t t b u r m a n 试验设计筛选活性污泥驯化的关键影响因子。结果 表明：s r t 、c n 、丰盛期与饥饿期的持续时间比、初始负荷、p h 、负荷增加率、 c p 这七个因素中对驯化过程影响显著的因素是s r t 、c n 、c o d o 、c p 。进一 步通过均匀设计对这4 个显著因素进行优化，得到最优的驯化条件为：s r t 为 1 5d ，c n 为5 0 ，c p 为5 3 0 ，c o d o 为1 0 5 0m g c o d l ，至驯化结束最大得率为 0 7 3 ，驯化时间为2 5d 。验证试验显示，至驯化结束最大得率为o 7 1 ，驯化时间 为2 3d ，该结果表明优化条件是可信的。 2 、当磁场仅作用于饥饿期时对h b 、h v 合成的促进作用显著优于磁场持续 作用或仅作用于丰盛期时的促进作用，且该优势随着磁场强度的增大而越趋明 显；而当磁场持续作用或仅作用于丰盛期时，两者的促进作用差异不明显。2 1m t 磁场仅作用于饥饿期时，q i - m q s 最大，为0 5 2 ；1 1m t 磁场仅作用于饥饿期时， q r r c q s 最大，为0 2 3 。 3 、饥饿期，活性污泥中h b 的降解速率大于h v 的降解速率，活性污泥主 要依赖h b 的降解来维持生命活动。磁场三种作用方式中，对p h a 降解促进作 用从大到小依次为：仅作用于饥饿期、仅作用于丰盛期、持续作用。1 1m t 的磁 浙江大学硕士学位论文 场仅作用饥饿期时，促进作用最大，降解速率常数为0 0 3 5 。 4 、磁场作用时间对p h a 合成的影响表现为非线性。磁场对p h a 合成的促 进作用在前3d 内达到最大，之后随着作用时间的延长而减小，并从第8d 开始， 磁场对h b 、h v 的合成存在抑制作用。因此，建议采用磁场短时间作用方式以 提高p h a 的合成。 5 、p h 较大地影响了酸消耗和p h a 合成的速率。p h 从7 升高至8 5 、9 5 时， q s 、q r m 、q m , 均增大，而p h 不控制时，q s 均介于p h 控制在8 5 、9 5 的q s 之间。 0 、1 1 、2 1m t ，q s 、q r m 、q r r v 均在同一p h 值时达到最大，分别为9 5 、9 5 、8 5 。 然而，p h 对p h a 得率的影响不如速率显著，当速率达到最大时，p h a 的 得率并不是唯一最大的。0 、1 1m t 时，y p h a 在p h 为7 和p h 为9 5 达到最大， 2 ll n t ，p h 为9 5 时的y p h a 仅比p h 为8 5 时的y r , a h ，提高了6 因此，为提 高p h a 的合成速率，建议控制p h 值在较高水平。 6 、不同磁场强度下，随着污泥停留时间( s r t ) 的增长，q s 逐渐减小，且 q s 和f m 值呈正相关( r = 0 9 1 6 ，p 0 0 1 ) ，而y r m 与f m 值、y r r v - 9f m 值却 都不存在相关性( p 均大于0 0 5 ) 。1 1m t ，s l i t 为1 0d ，y i - m 、y r w 、y p h a 均最 大，分别为0 2 4 、o 1 1 、0 3 5c m m o l c m m o l ；2 1m t ，s r t 为5d 、1 0d 时，活 性污泥合成p h a 的能力均较大，y p h a 分别为0 4 2 、0 4 3c m m o l c m m o l ，差异不 明显。 关键词：聚羟基烷酸酯；驯化；磁场；作用方式；作用时间；s r t ；p h 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t p o l y h y d r o x y a l k a n o a t e s ( p h a s ) h a v eb e e nc o n s i d e r e da st h ep r o m i s i n gs u b s t i t u t e s f o r t h e p e t r o c h e m i c a l d e r i v e dp l a s t i c s d u e t ot h e i rs i m i l a r p r o p e r t i e s t o p e t r o c h e m i c a l d e r i v e dp l a s t i c sa n db i o d e g r a d a b i l i t y t h em a j o rb a r r i e rt ot h ew i d e a p p l i c a t i o no fp h a i st h eh i g hc o s t i no r d e rt or e d u c et h ec o s t ，t h eb i o e f f e c to f m a g n e t i cf i e l dw a si n t r o d u c e dt ot h ep h ab i o s y n t h e s i sb ya c t i v a t e ds l u d g e t h es t u d y w a sc o n c e n t r a t e do nt h r e ea s p e c t s ： 1 d e v o l o p e da l le f f e c t i v em e t h o dt oa c c l i m a t i z ea c t i v a t e ds l u d g ew i t hh i g hp h a s t o r a g ec a p a c i t y c h o s es i g n i f i c a n tf a c t o r so u to fs e v e no n e s ( s r t , c n ，f e f a ，c o d o ， p h ，l o a di n c r e a s er a t e ，c p ) i na c c l i m a t i z a t i o np r o c e s sa n do p t i m i z e d 2 s t u d i e dt h ee f f e c to fm a g n e t i ce x p o s u r em o d ea n dd u r a t i o nt i m eo np h a s y n t h e s i sb ya c t i v a t e ds l u d g ea n do b t a i n e dt h eo p t i m u mm a g n e t i ct r e a t m e n tc o n d i t i o n 3 o b s e r v e dt h ee f f e c to fs r ta n dp ho np h a s y n t h e s i sb ya c t i v a t e ds l u d g et r a d e r d i f f e r e n tm a g n e t i ci n t e n s i t ya n do p t i m i z e dt h ec o n d i t i o n t h em a i nr e s u l t sw e r ea sf o l l o w s ： 1 p l a c k e t t - b u r m a nd e s i g nw a se m p l o y e dt os c r e e np a r a m e t e r s t h em o s t s i g n i f i c a n tp a r a m e t e r sw e r es r t , c n ，c o d oa n dc p t h eo p t i m u mc o n d i t i o n s o b t a i n e dt h r o u g hu n i f o r md e s i g nw a s ：s r to f15d ，c no f5 0 ，c po f5 3 0 ，c o d oo f 10 5 0m g c o d l t h ec o r r e s p o n d i n gm a x i m u mp h ay i e l da n da c c l i m a t i z a t i o n d u r a t i o nt i m ew e r e0 7 3a n d2 5dr e s p e c t v e l y ot h ee x p e r i m e n t a lv a l u eo f 0 71 ( m a x i m u mp h a y i e l d ) a n d2 3d ( a c c l i m a t i z a t i o nd u r a t i o nt i m e ) w e r ew e l li n a g r e e m e n t 晰t l lt h o s eo ft h ep r e d i c t e do n e s 2 t h ep r o m o t i o ne f f e c to fm a g n e t i ce x p o s u r ei nt h ef a m i n ep h a s eo np h a s y n t h e s i sw a sm o r es i g n i f i c a n tt h a nm a g n e t i ce x p o s u r ei nt h ef e a s tp h a s eo ri n f e a s t f a m i n ep h a s e t h es t r o n g e rt h em a g n e t i cf i e l dw a s ，t h em o r es i g n i f i c a n tt h e p r o m o t i o ne f f e c to fm a g n e t i ce x p o s u r ei nt h ef a m i n ep h a s ew a s t h e r ew e r en o o b v i o u sd i f f e r e n c e sb e t w e e nt h ep r o m o t i o ne f f e c to fm a g n e t i ce x p o s u r ei nt h ef e a s t p h a s ea n di nf e a s t - f a m i n ep h a s e t h eq r m q sr e a c h e dt h em a x i m u mo f0 5 2a t2 1m t m a g n e t i ce x p o s u r ei nt h ef a m i n ep h a s e t h eq r r v q sr e a c h e dt h em a x i m u mo f0 2 3a t - i i i 浙江大学硕士学位论文 i1m t m a g n e t i ce x p o s u r ei nt h ef a m i n ep h a s e 3 d u r i n gt h ef a m i n ep h a s e ，t h ed e g r a d a t i o nr a t eo fl i bw a sh i g h e rt h a nt h a to fh v , a n ds ot h em e t a b o l i s mo fa c t i v a t e ds l u d g em a i n l yr e l i e do i lh bd e g r a d a t i o n m a g n e t i c e x p o s u r e i nt h ef a m i n ep h a s es h o w e dt h eg r e a t e s tp r o m o t i o ne f f e c to np h a d e g r a d a t i o n ，f o l l o w e db ym a g n e t i ce x p o s u r ei nt h ef e a s tp h a s e ，a n di nf e a s t f a m i n e p h a s e t h ekr e a c h e dt h em a x i m u mo f0 0 3 5 a t11m tm a g n e t i ce x p o s u r ei n t h e f a m i n ep h a s e 4 i tw a sn o n - l i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nm a g n e t i ce x p o s u r ed u r a t i o nt i m ea n d p h a y i e l d t h ep r o m o t i o ne f f e c tr e a c h e dt h em a x i m u mw h e nt h em a g n e t i ce x p o s u r e d u r a t i o nt i m ew a sl e s st h a n3da n dt h e ni td e c r e a s e d 、i t ht h em a g n e t i ce x p o s u r e p r o l o n g e d w h e nt h et h ed u r a t i o nt i m ew a sm o r et h a n8d ，m a g n e t i cf i e l di n h i b i t e d p h a s y n t h e s i s t h eo p t i m u mm a g n e t i ce x p o s u r et i m ew a sl e s st h a n3d 5 t h ep hs i g n i f i c a n t l yi n f l u e n c e dt h ea c i dc o m s u p t i o nr a t ea n dp h a s y n t h e s i s r a t e q s ，q r m ，a n dq h va l li n c r e a s e d 晰t ht h ep hf r o m7 t o8 5 ，a n d9 5 0 ，11 ，2 1m t , q s ， q r ma n dq r w r e a c h e dm a x i m u ma tp h9 5 ，9 5 ，8 5r e s p e c t i v e l y t h ee f f e c to fp ho n p h a y i e l dw a sl e s ss i g n i f i c a n tt h a nt h ee f f e c to fp ho i lp h as y n t h e s i sr a t e w h e n m a g n e t i cf i e l dw a s0o r 11m t , y p r t aa tp h7a n da tp h9 5r e a c h e dt h em a x i m u m w h e nm a g n e t i cf i e l dw a s21m t , y p r aa tp h9 5i n c r e a s e d6 c o m p a r e dt oy p r t aa t p h8 5 c o n t r o l l i n gp ha th i g h e rv a l u ew a sm o r ef a v o r a b l et oe n h a n c ep h as y n t h e s i s a n di n c r e a s es y n t h e s i sr a t e 6 t h eq sd e c r e a s e d 、析t l lt h es r ti n c r e a s e d t h e r ew a ss t r o n gp o s i t i v ec o r r e l a t i o n b e t w e e nq sa n df m ( r = o 9 16 ，p 0 0 5b o t h ) 11m t , y r m ，y r r v ，a n dy p 队r e a c h e dm a x m r r l l o f 0 2 4 、0 1 1 、o 3 5c m m o l c m m o la ts r t1 0d 2 1m t ，y p h ao fs r t5 ，1 0dw e r e 0 4 2 、0 4 3c m m o l c m m o lr e s p e c t i v e l y ，a n dt h e r ew a sn oo b v i o u sd i f f e r e n c e k e y w o r d s ：p h a ；a c c l i m a t i z a t i o n ；m a g n e t i cf i e l d ；e x p o s u r em o d e ；d u r a t i o nt i m e ；s r t ； p h 浙江大学硕士学位论文 前言 课题来源 本课题来源于浙江省科技厅计划项目“有机固体废弃物资源化的新工艺研 究与应用”，编号：n o 2 0 0 8 c 2 3 1 0 0 。 课题背景 化工合成塑料由于不可生物降解而滞留环境中，并逐步累积，造成日益严 重的污染，同时其合成原料也日益短缺，陷入了不可持续发展的困境。开发和 利用生物可降解塑料越来越受到人们的重视聚羟基烷酸酯 ( p o l y h y d r o x y a l k a n o a t e ，p h a ) 是一类由原核生物在非平衡生长( 如缺乏氮、 氧、磷、镁等营养元素) 条件下合成的细胞内碳源和能源的贮藏性聚合物【l 】。 聚羟基烷酸酯与化工合成塑料( 聚乙烯、聚丙烯等) 的性质十分相似，且具有 化工合成塑料没有的生物可降解性、生物相容性等。所以，p h a 作为环境友好 的高分子聚合物，可以替代化工合成塑料，并且可作为新的功能材料广泛应用 于医学、药物学、食品等领域。目前，通过纯菌( 如r a l s t o n i ae u t r o p h a ) 发酵 已实现p h a 的工业化生产【l 】。但是，纯菌发酵对运行条件和碳源等要求很高， 导致生产成本高昂，限制了p h a 的广泛应用。提高p h a 的合成效率，降低p h a 的生产成本是目前研究的重点之一。 活性污泥是废水生物处理系统中微生物与它们所吸附的有机物和无机物的 聚集体，其微生物种类非常复杂。研究表明，活性污泥中的混合菌群可以很好 地适应并利用废物中的营养成分，能在碳源间歇过量或营养物暂时缺乏( 如好 氧序批式生物反应器工艺) 、电子受体与电子供体交替出现( 如强化生物除磷工 艺) 等条件下储存p h a ，以便维持非均衡环境下相对稳定的生长和生存状态【2 】。 将活性污泥作为合成p h a 的微生物，利用活性污泥中混合菌群的生物代谢反 应，将废物中的碳源等营养物转化为p h a 。相对于纯菌种发酵生产p h a ，活性 污泥生产p h a 不需要灭菌，并且控制相对简单，不但可以降低工艺过程成本， 且有助于实现剩余污泥的减量化和资源化。 生物磁学是近几十年发展起来的一门新兴的边缘科学，是涉及物理学、电 浙江大学硕士学位论文 磁学、医学、生物学等综合性学科。磁场的生物效应为其重要组成部分，研究 磁场对生物体的影响和作用效果，以及磁场与生物体之间的关系。磁场生物效 应包括对生物细胞形态、细胞膜，细胞代谢，酶活性，遗传物质等的影响，并 根据不同的磁场性质和微生物种类，生物效应不同。如在最佳磁场条件下( 4h 、 1 5 0m s 、5m t ) ，l a c t o c o c c u sl a c t i ss u b s p l a c t i s 尼生素的得率、合成速率分别 比对照组( 未加磁场) 增加了3 倍和5 倍【3 】。因此，磁场的生物效应为提高p h a 生物合成的产率提供了一条新思路，且文献对于这方面也鲜有报导。 因此，磁场对活性污泥合成p h a 影响的研究为提高p h a 产率，降低其生 产成本提供了一种新方法，同时也丰富、加深了磁场生物效应的认识。 课题意义 由于p h a 特有的生物可降解性、生物相容性、压电性等，使其成为化工合 成塑料的理想替代物，并作为新的功能材料广泛应用于医学、药物学、食品等 领域。降低p h a 的生产成本是学者们研究的主要方向之一。把活性污泥作为合 成p h a 的微生物，并结合磁场的生物效应，研究磁场对活性污泥合成p h a 的 影响，以及优化磁场作用的条件，为提高p h a 产率，降低其生产成本提供了一 种新方法，为其能够广泛应用提供保障，有利于缓解“白色污染”；同时，生物 磁学作为一门新兴的边缘学科，很多方面的认识还是空白，本研究丰富、加深 了对磁场生物效应的认识，有利于促进磁场在社会生产、日常生活中的应用。 本课题意义在于： ( 1 ) 建立一种快速、有效的驯化方法，将活性污泥驯化成具有高p h a 贮 存能力的微生物菌群，筛选驯化过程中的关键因素，并优化关键因素的取值。 ( 2 ) 研究磁场作用方式、作用时间对活性污泥合成p h a 的影响，寻求最 佳的磁场处理方式与条件。 ( 3 ) 进一步研究磁场一活性污泥p h a 合成系统中，污泥停留时间( s l u d g e r e t e n t i o nt i m e ，s r t ) 和p h 在不同磁场强度下，对p h a 合成的影响，优化工 艺条件。 浙江大学硕l ：学位论文 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝江大鲎或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：，湃毋惋 签字日期：) 。j 口年今月孑日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂一有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝姿盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：1 研百豇 导师签名： 签字日期：立。1 0 年弓月j 日 签字同期： 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 雹h y 训许雩月分日 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文 致谢 本文是在导师陈红副教授的亲切关怀和悉心指导下完成的，在此表示诚挚的 谢意! 在浙大读研的日子里，导师不仅在学业上给予我精心地指导与帮助，更加 注重对我思想上的点拨，鼓励我多思考、多创新，这一切让我受益匪浅。导师深 厚的学术修养和严谨的治学态度是我学习的楷模，导师的战略性的思维方式，勇 于开拓创新的精神，我将铭记于心、终身受益。 感谢徐志伟、黄皓、吴海云、夏云峰、李晓娟、孟慧娟、周俊、朱金余等各 位师兄弟姐妹，在平时工作和生活中的诸多支持与帮助。感谢曾经在实验室实习 的左文虎等同学的辛勤工作。 感谢我的先生李灵香玉对我的支持与帮助，我们相互扶持、风雨同舟，一起 经历人生的高潮和低谷，我所取得的成绩离不开他的帮助与鼓励。 感谢每一位关心、支持、帮助过我的老师和同学。 对参加本论文答辩、评阅和对本论文提出宝贵意见的所有专家和同仁表示最 衷心的感谢! 许振岚谨记 2 0 0 9 年1 2 月于杭州 浙江大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 剩余活性污泥的资源化 1 1 1 剩余活性污泥的性质 剩余污泥是指污水处理过程中所产生的固态、半固态及液态的废弃物，是污 水处理厂的必然产物。它含有大量的有机物，氮磷等营养物、重金属以及致病菌 和病原菌等，常常伴有恶臭气体【4 】。我国城市污水处理所带来的剩余污泥处理处 置问题日益严峻。 表1 1 初沉池污泥和活性污泥的主要组成及其含量i s l t a b l e1 1c o m p o s i t i o n so fs l u d g ef r o mp r i m a r ys e d i m e n t a t i o na n da c t i v a t e ds l u d g e 1 1 2 剩余活性污泥的处理、处置 当前国内外各污水处理厂的污泥处理方法主要有调理、浓缩、脱水、干燥、 消化、堆肥等。这些方法在工程实践中不断暴露出一些缺点和不足，继而一些新 的污泥处理方法被应用到实践中，如蚯蚓处理污泥、污泥酸化、污泥人工湿地处 理技术等。不论用何种方式处理污泥，处理后的污泥处置都是必须要面对的问题。 堆肥处理、水体消纳、卫生填埋、焚烧处理和生物处理是目前国内外常用的方法。 a 、生物堆肥 堆肥就是利用污泥中的好氧微生物进行好氧发酵的过程，将污泥按一定比例 与各种秸秆、稻草、锯末、树叶等植物残体或者与草灰、粉煤灰、生活垃圾等混 合，借助于混合微生物群落，在潮湿环境中对多种有机物进行氧化分解，使有机 物转化为类腐殖质【6 1 。 高温堆肥可以杀灭堆料中的病原菌、虫卵和草籽，使堆肥产品更适合用作土 壤改良剂和植物营养源，因此堆肥化处理污泥是一项以土地利用为导向，对剩余 浙江大学硕士学位论文 污泥进行充分的资源化处理措施，并且具有经济实用、不需外加能源、不产生二 次污染等特点f 6 j 。 b 、土地填埋 污泥的卫生填埋目前已发展成为一项比较成熟的污泥处置技术。其优点是投 资少、容量大、见效快。基本方式是城市污泥经过简单的灭菌处理，直接倾倒于 低地或谷底中的垃圾填埋场。它对前期的污泥处理技术要求较低，一般进行消化 减容或者让其自然干化即可，因此需要大面积的填埋场地以及地下防渗系统处 理，但是，污泥填埋处置并不能最终避免环境污染，而只是延缓了产生时间。 c 、焚烧处置 焚烧过程是将干化后的污泥与空气中的氧在高温下发生燃烧反应，使其氧化 分解，达到减容、去除毒性并回收能源的目的。焚烧后的最终产物为化学性质比 较稳定的无害化灰渣 7 1 。 d 、厌氧消化 厌氧消化是目前国际上常用的污泥生物处理方法，即污泥中的有机物在厌氧 的条件下被厌氧菌群最终分解的过程【引。污泥经厌氧消化后，达到减量化的目的， 同时还回收一部分能源，减轻后续处理负担。目前常用的工艺包括常规中温厌氧 消化、单级高效中温厌氧消化，两级厌氧消化、中高温两相厌氧消化。 1 1 3 剩余活性污泥的资源化 传统的污泥处理处置方法不断面临着严重的问题。如填埋会造成土地紧缺， 焚烧和干燥，先需要使污泥脱水，脱水的成本很高，约2 0 0 欧元吨干污泥【5 1 。解 决污泥问题的根本方法是资源化利用。资源化利用主要有以下几种方法： a 、污泥农林利用 污泥含有大量的有机质和n 、p 、k 以及m n 、z n 、c u 、s 、f e 等植物生长 元素，是一种良好的肥料和土壤改良剂【9 】。田间实验表明污泥用于农田后能改良 土壤的物理化学性质，增加土壤营养成分，提高土壤可耕作性。但污泥也含有大 量有害物质，如污泥中的重金属是决定污泥能否农林利用的主要因素。有研究通 过添加粉煤灰等物质来降低污泥中重金属的生物可利用性，以确保污泥农林利用 的安全。张鸿龄等1 0 1 研究将粉煤灰与剩余污泥按不同比例混合组成污泥人工土 壤，发现各配比人工土壤中有机质及速效养分含量极高，且具有较好的持水和保 浙江大学硕士学位论文 水性能，适量的粉煤灰既能杀死污泥中病原菌又不影响养分的有效性。k u m p i e n e 等【1 1 1 研究粉煤灰和草炭对重金属污染土壤中c u 和p b 生物有效性的降低作用， 发现粉煤灰的效果明显优于草炭。污泥农林利用后，应加强重金属的环境风险控 制，以及周边环境的长期生态效应。 b 、建材使用 污泥含有大量的灰分，尤其是混凝法处理废水的污泥中含有大量的舢、f e 等成分，是建筑材料中可使用的添加剂，可用于制造砖块、生态水泥、陶粒、填 料等。比如污泥生态砖是在黏土砖中混入1 0 污泥，并在9 0 0 条件下烧制，这 种方法不仅处理了污泥，还在烧制过程中将有毒重金属都封存在污泥中，同时杀 死了污泥中含有的有害微生物1 2 】。 c 、回收污泥中的有用物质 污泥中含有大量有价值的物质，如粗蛋白占2 8 7 - 4 0 9 、灰分占2 6 4 4 6 o 、纤维素占2 6 6 一4 4 0 、脂肪酸占0 3 7 t 1 3 1 。通过污泥破解，破坏污泥 结构及细胞壁，使污泥絮体结构发生变化。细胞内含物流出，进人水相，以利于 提取。c l a i r e b o u g r i e r 等【1 4 1 对5 种不同的剩余活性污泥进行热处理( 9 0 2 1 0 ， 持续3 0 分钟) ，在1 7 0 时，溶解性蛋白质浓度从0 3 1g l 增加到5 9g l 。污泥 蛋白中含有几乎所有家禽饲料所需的氨基酸，且各种氨基酸之间相对平衡，因此 可以作为饲料蛋白加以利用。 污泥破解后，大分子物质变为小分子物质，如利用热破解后，污泥中的固相 有机氮不断溶解，液相中的总氮和有机氮不断增加，当温度为1 1 0 1 3 0 时，蛋 白质发生水解，生成氨氮和有机酸；污泥中的正磷酸盐和聚磷酸盐也随之进入液 相。可通过磷酸氨镁沉淀法处理破解液，得到鸟粪石。鸟粪石是一种缓释肥，具 有较高的经济价值【1 5 】。 d 、热利用 污泥中含有大量易挥发有机物质，通过污泥热解技术，即在无氧环境下，对 干燥的污泥进行加热，至一定温度( 通常 5 0 0 ) ，在干馏和热分解的作用下， 使污泥转化为油、水、不凝性气体和炭等物质【1 6 1 。试验显示，污泥热解产生的 油能直接用于柴油机车，并与石油提炼厂生产出来的石油低级馏出液相似【1 7 1 。 e 、用于合成p h a 浙江大学硕士学位论文 活性污泥作为合成p h a 的微生物 研究表明，活性污泥中的混合菌群可以很好地适应并利用废物中的营养成 分，能在碳源间歇过量或营养物暂时缺乏( 如好氧序批式生物反应器工艺) 、电 子受体与电子供体交替出现( 如强化生物除磷工艺) 等条件下储存p h a ，以便 维持非均衡环境下相对稳定的生长和生存状态【2 】。将活性污泥作为合成p h a 的 微生物，利用活性污泥中的混合菌群的生物代谢反应，将废物中的碳源等营养物 转化为p h a 聚合物。 蔡萌萌等【1 8 1 研究活性污泥、表皮葡萄球菌利用麦芽消化液，通过两段式间 歇补料发酵合成p h a ，结果显示活性污泥合成p h b 单聚物，含量为4 3 3 ，而 表皮葡萄球菌合成p h b 的含量为1 6 o ，活性污泥合成p h b 的量约为表皮葡萄 球菌的3 倍。 不同来源的活性污泥累积p h a 的能力有较大差异。杨幼慧等【1 明研究了分别 取自食品厂和污水处理厂的活性污泥合成p h a 的情况，结果表明，不同食品厂 和生活污水处理厂的活性污泥均含有多种能够合成p h a 的微生物，但未经驯化 时，活性污泥中p h a 合成菌的比例及p h a 含量均较低，经过驯化后，虽均可有 效富集p h a 合成菌，但p h a 含量存在明显差别，啤酒厂活性污泥p h a 的合成 量大约是生活污水处理厂活性污泥p h a 合成量的1 5 倍。 活性污泥作为合成p h a 的原料 活性污泥中含有丰富的有机质，如蛋白质、核酸、糖类等，但是大部分有机 质是微生物的细胞物质，被微生物细胞壁所包裹，很难直接被合成p h a 的微生 物所利用。c a i 等【2 0 1 将剩余污泥在碱性条件下( p h 为1 1 0 ) 发酵，温度6 0 ， 发酵到第7 天时，挥发性有机酸的产量达到最大，为2 5 8 6 5m g t o c g v s s ，再 利用发酵产生的挥发性有机酸为原料合成p h a ，含量为5 6 5 。l e e 等【2 1 1 的研究 显示，利用污泥消化液生物合成p h a ，p h a 最大含量达3 4 ，底物转化率( g p h a g 废弃物) 为o 7 8 。 1 2p h a 的生物合成 1 2 1p h a 的性质 聚羟基烷酸酯是一类由许多原核生物在非平衡生长( 如缺乏氮、氧、磷、镁 浙江大学硕士学位论文 等) 条件下合成的细胞内碳源和能源的贮藏性聚合物。根据单体中碳原子的数目， 可以将p h a 分为2 种类型： 短侧链p h a ( s h o r t s i d e c h a i np h a ，s s c p h a ) ，单体为含3 - 5 个碳原子数 的羟基脂肪酸，以聚p - 羟基丁酸( p ( 3 h b ) ，p o l y p - h y d r o x y b u t y r i ca c i d ) 和聚一p 一 羟基戊酸( p ( 3 h v ) ，p o l y - 1 3 h y d r o x y v a l e r i ca c i d ) 为代表； 中长侧链p h a ( m e d i u m s i d e c h a i np h a ，m s c p h a ) ，单体为含6 16 个碳 原子数的羟基脂肪酸。 p h a 与聚乙烯、聚丙烯等的性质十分相似，但具有它们没有的生物可降解 性、生物相容性等，所以，p h a 作为环境友好的高分子聚合物，可以替代化工 合成塑料，并且可作为新的功能材料广泛应用于医学、药物学、食品等领域，受 到了越来越多的关注。 1 2 2p h a 的生物合成工艺 a 、厌氧好氧合成工艺 厌氧好氧合成工艺中，电子供体( 碳源) 和电子受体( 溶解氧) 交替存在。 厌氧时，活性污泥中的聚磷酸积累菌( p a o s ) 和糖元积累菌( g a o s ) 分别水解 细胞内储存的聚磷酸和糖元以获得能量，同时摄取外界碳源并储存p h a ；好氧 时，碳源浓度很低，p a o s 和g a o s 降解细胞内p h a ，以便为菌体生长，糖元和 聚磷酸储存提供能量、还原力和细胞物质前体物2 1 。 b 、微氧好氧合成工艺 在厌氧好氧合成工艺中，p a o s g a o s 会利用部分碳源合成糖元，进而会降 低碳源向p h a 的转化率。针对这一问题，人们尝试利用微氧好氧工艺合成p h a 。 在微氧好氧工艺中，微氧时，活性污泥摄取少量外界碳源，p h a 产量较低；好 氧时活性污泥开始迅速利用外界碳源合成p h a ，且p h a 产量高于厌氧好氧工 艺合成p h a 。这主要是因为，微氧阶段，细胞的同化代谢活性受到抑制，细胞 的主要代谢反应为p h a 的合成代谢，同时糖元积聚能力降低【2 1 。 c 、好氧动态底物投加工艺 目前，研究较多的是原核生物在好氧动态底物投加工艺下来生产p h a 。好 氧动态底物投加工艺，即在好氧条件下，间歇地一次性投加一定负荷的碳源，使 微生物处于碳源充足缺乏的动态条件下，当碳源充足时，微生物吸收碳源，并 浙江大学硕士学位论文 用于自身生长、p h a 合成与维持；当外界碳源消耗尽时，贮藏的p h a 又可以作 为碳源和能源供微生物生长f 2 2 】。 在好氧动态底物投加工艺中，碳源被用于合成p h a ，而不是糖元的原因为： 当碳源充足时，碳源的吸收速率就会大于生长所需的速率。碳源的吸收、代谢生 成了n a d h 2 ，n a d h 2 通过氧化磷酸化生成a t p 。如果微生物的生长过程受到了 限制，那么用于生长的a t p 就相对减少，导致a t p 的积累，进一步又导致n a d h 2 的积累。而p h b 的生成需要消耗n a d h 2 ，这就使得微生物细胞内的物质和能量 能够达到平衡。而糖原的合成会生成n a d h 2 ，不利于微生物细胞内的物质和能 量的平衡1 2 3 1 。所以，碳源充足缺乏的动态培养也是p h a 积累最有效的方法，它 可以促进底物碳源向p h a 转化，而不是糖原或者其它胞内聚合物。 1 2 3p h a 的生物合成途径 r ，n n - 图1 1 碳源充足缺乏下的p h a 合成路径1 2 4 1 f i g 1 1m e t a b o l i cp a t h w a y so fp h as y n t h e s i su n d e rf e a s t f a m i n e 若以乙酸为碳源，主要合成聚羟基丁酸酯( p o l y 一3 h y d r o x y b u t y r a t e ，p h b ) 。 在p h a 的大家族里，p h b 是被最广泛研究的，他的代谢途径和调控也是研究最 深入的。p h b 的合成途径见图1 1 【2 4 】。p h b 合成从乙酰c o a 开始，经三步反应， 分别由3 酮硫解酶( e c2 3 1 9 ) ，乙酰乙酰c o a 还原酶( e c1 1 1 3 6 ) 和p h b 合成酶这三种酶催化。 图1 1 中的合成途径是被普遍认同的。当底物发生变化时，p h a 的合成途径 浙江大学硕士学位论文 也将发生改变。如由糖基质合成p ( 3 h b 3 h v ) 的甲基丙二酰c o a 途径、由脂 肪酸合成羟基丁酸与中长侧链脂肪酸共聚物p ( 3 h b 3 h a m s c ) 的途径，由脂肪 酸b 氧化途径合成m s c p h a 的途径【2 5 】等。 微生物代谢的多样性决定了微生物合成p h a 代谢途径的多样性，并不仅仅 局限于上述几种，还有很多途径需要进一步的探索和研究。 1 2 4p h b 合成的酶学 a 、3 酮硫解酶 已经能够从许多p h b 合成菌种中分离纯化3 酮硫解酶。如h y d r o g e n o m o n a s e u t r o p h a ( 现为a e u t r o p h u s ) 【2 6 】等。3 酮硫解酶是a e u t r o p h u s 合成p h b 时的 控制酶，它的活性受c o a 的调节【2 6 1 。它具有底物专一性，根据底物种类，分为 两种：一种酶，只有当底物是c 4 和c 5 的3 一酮脂酰c o a ，才具有活性；另一种 酶，是当底物为c 4 到c 1 0 的3 酮脂酰c o a ，都具有活性2 7 1 。 b 、乙酰乙酰c o a 还原酶 在很多p h b 合成的微生物中都能够检测到乙酰乙酰c o a 还原酶，如 a z o t o b a c t e rb e i j e r i n c k i i ，r h o d o p s e u d o m o n a ss p h e r o i d e s ，r h o d o m i c r o b i u mv a n n i e l i i 等，但在这些微生物中是否存在该酶的同工酶还没有被报道【2 7 1 。在z r a m i g e r a 和a e u t r o p h u s 中发现有两种乙酰乙酰c o a 还原酶，他们各自有不同的底物和辅 酶。一种以n a d h 为辅酶，还原产物为l ( + ) - 3 羟基酯酰c o a ，另一种以n a d p h 为辅酶，还原产物为c 4 、c 5 的d ( ) 3 羟基酯酰c o a l 2 7 1 。 c 、p h b 合成酶 p h b 合成酶有两种形式，一种是颗粒结合型p h b 合成酶，另一种是溶解性 p h b 合成酶。微生物内p h a 含量较高时，颗粒结合型p i - t b 合成酶具有活性； 当p h a 含量较低时，溶解性p h b 合成酶具有活性 2 3 ：】。在a e u t r o p h u s 中，当c 受限制时，p h b 合成酶主要以溶解性合成酶的形式存在，而当n 元素受限时， p h b 开始积累，颗粒结合型合成酶开始出现。溶解性合成酶的迅速消失，颗粒 结合型合成酶的出现，与p h b 颗粒的含量变化是一致的【2 7 1 。 这两种形式的酶经纯化后，稳定性都减弱，且随着纯化过程的进行，不稳定 性增强。颗粒结合型合成酶，在底物为d ( ) 3 羟基丁酯酰c o a 和d ( ) 3 羟基戊酯酰c o a 时具有活性，该酶的催化反应不遵守米氏动力学，当底物为3 浙江大学硕士学位论文 羟基丁酯酰c o a 时