一种利用剩余污泥与白酒废水发酵物以氧化亚氮为电子受体生产PHA的方法

技术领域

本发明涉及环境保护和资源化利用技术领域，特别是涉及一种利用剩余污泥与白酒废水发酵物以氧化亚氮为电子受体生产PHA的方法。

背景技术

生物塑料聚羟基烷酸酯（PHA）是一种具备高附加价值的石油基塑料替代材料，这种生物聚酯具有生物完全可降解性、生物相容性等优异性质，因此在医疗、包装、农业等多领域均有广泛应用。现在已初步应用于市场的生物塑料PHA基本采用纯种微生物进行合成制备，然而在碳源与运行条件上成本居高不下。

活性污泥经过富集驯化后同样具有较高的PHA合成能力，而且可大量利用食品加工废水等有机废弃物作为碳源，这不仅能使PHA的生产更具经济性，而且有助于使有机废弃物同时达到减量化、资源化、无害化的效果。白酒作为一种中国特色蒸馏酒，其生产过程中产生的白酒废水是我国特有的一种高浓度有机废水。现阶段研究表明，单独利用剩余污泥或者白酒废水进行厌氧发酵时产酸效率较低，而白酒废水和剩余污泥在厌氧发酵产酸上具有协同作用，有利于生物塑料PHA的合成。另外，目前大量研究利用氧气作为电子受体进行生物塑料PHA合成，氧化亚氮作为全球三大温室气体之一，有效控制氧化亚氮气体的排放是研究人员重要的关注热点，以氧化亚氮作为电子受体进一步促进厌氧发酵液合成PHA具有较大的潜力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种利用剩余污泥与白酒废水发酵物以氧化亚氮为电子受体生产PHA的方法。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案如下：

一种利用剩余污泥与白酒废水发酵物以氧化亚氮为电子受体生产PHA的方法，包括以下步骤：

S1：取部分剩余污泥，对其进行超声破碎预处理，得到破碎污泥；

S2：将破碎污泥与未经破碎预处理的剩余污泥混合后加入至反应器内，随后向反应器内添加白酒废水进行联合厌氧发酵，得到厌氧发酵液；

S3：取序批式反应器，将活性污泥添加至序批式反应器内，运行后得到驯化后的活性污泥；

S4：将驯化后的活性污泥与厌氧发酵液添加至密封反应器内，并将氧化亚氮通入密封反应器内直至饱和，随后将密封反应器放入至恒温摇床，反应后得到PHA。

作为本发明所述利用剩余污泥与白酒废水发酵物以氧化亚氮为电子受体生产PHA的方法的一种优选方案，其中：所述S2中破碎污泥与未经破碎预处理的剩余污泥的添加比例为1:1。

作为本发明所述利用剩余污泥与白酒废水发酵物以氧化亚氮为电子受体生产PHA的方法的一种优选方案，其中：所述S3中序批式反应器选用有氧运行方式，运行周期为360min，其中进水阶段时长为5min，反应阶段时长为320min，沉淀阶段时长为20min，排水阶段时长为7min，闲置阶段时长为8min，排水比取为50%，污泥龄为10d，通过人工排泥获得。

作为本发明所述利用剩余污泥与白酒废水发酵物以氧化亚氮为电子受体生产PHA的方法的一种优选方案，其中：进水阶段时添加的液体包括有机废水，所述有机废水的组成成分及浓度为COD：2500mg/L，NH

作为本发明所述利用剩余污泥与白酒废水发酵物以氧化亚氮为电子受体生产PHA的方法的一种优选方案，其中：进水阶段时添加的液体中还包括储备液，所述储备液的的组成成分及浓度为FeSO

作为本发明所述利用剩余污泥与白酒废水发酵物以氧化亚氮为电子受体生产PHA的方法的一种优选方案，其中：所述储备液与所述有机废水添加体积比例为1:9000。

作为本发明所述利用剩余污泥与白酒废水发酵物以氧化亚氮为电子受体生产PHA的方法的一种优选方案，其中：所述S2中白酒废水与添加破碎污泥后的剩余污泥的添加比例为1:4~4:1，发酵时间为8-10d。

作为本发明所述利用剩余污泥与白酒废水发酵物以氧化亚氮为电子受体生产PHA的方法的一种优选方案，其中：所述S1中超声破碎预处理中超声波破碎仪的超声波频率为20kHz，超声密度为1.0W/mL，超声时间为10min。

本发明的有益效果是：

（1）相比较于剩余污泥与白酒废水单独发酵产酸，本发明将两者联合利用，能够均衡营养物质、调控C/N比并大幅增加反应体系的缓冲能力、运行稳定性与处理效率等优势，相比于单独发酵，联合发酵显著提高了厌氧发酵水解过程的速率和增加过程稳定性，从而提高底物中挥发性脂肪酸的含量。在生物塑料PHA合成阶段，活性污泥中的微生物通过直接利用氧化亚氮为电子受体，在还原氮素的同时将外界有机碳源转化成PHA存储于细胞内，实现在消纳温室气体的同时对污水中碳源进行回收利用。

（2）本发明利用剩余污泥与白酒废水联合发酵产物为电子供体高效生产PHA，不仅实现了剩余污泥和白酒废水的资源化利用，而且产生了高价值的生物塑料PHA，为城市污水和污水厂产生污泥的综合开发利用提供一种新思路。

（3）本发明以剩余污泥与白酒废水联合发酵产物为电子供体，氧化亚氮为电子受体，当白酒废水与添加部分破碎污泥的剩余污泥比例为4:1的条件下，不仅可实现对温室气体氧化亚氮的消纳，而且可有效降低传统工艺中以氧气为电子受体时，曝气导致的工艺成本，为本工艺的优选条件。

具体实施方式

为使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施方式，对本发明作出进一步详细的说明。

实施例1：

本实施例提供了一种利用剩余污泥与白酒废水发酵物以氧化亚氮为电子受体生产PHA的方法，包括以下步骤：

S1：取207.5ml剩余污泥，通过超声波破碎仪对其进行超声破碎预处理，得到破碎污泥，其中，超声波破碎仪的超声波频率为20kHz，超声密度为1.0W/mL，超声时间为10min；

S2：将207.5ml破碎污泥与207.5ml剩余污泥混合，将其添加至有效容积为450ml的密封瓶中，并向密封瓶中加入6.1ml白酒废水，将密封瓶内的ph调节至8，随后使用氮气对密封瓶内吹扫3min，再塞紧瓶塞，之后将密封瓶放入温度为35℃，转速为180rpm的恒温摇床内进行联合厌氧发酵反应，其中，联合厌氧发酵的过程中最大挥发性脂肪酸（VFAs）总积累量为3472mgCOD/L，对应的反应时间为8d，得到厌氧发酵液；

S3：采用有效容积为9L的序批式反应器（SBR）作为PHA合成菌富集反应器，将活性污泥添加至反应器内，选用好氧SBR的运行方式，运行周期为360min，其中进水阶段时长为5min，反应阶段时长为320min，沉淀阶段时长为20min，排水阶段时长为7min，闲置阶段时长为8min，排水比取为50%，污泥龄为10d。通过人工排泥获得驯化后的活性污泥。活性污泥通过该种驯化模式，使得其经历底物充足-底物不足阶段，有利于富集合成PHA的活性污泥.

S4：取有效容积为450ml的密封瓶，取富集反应器中驯化后的活性污泥250ml，并取200ml厌氧发酵液，混合后添加至密封瓶内，随后向密封瓶内通入氧化亚氮直至饱和，之后将密封瓶密封，放入温度为25℃，转速为160rpm的恒温摇床内，反应9h后得到PHA。

上述反应条件下得到的PHA的含量为18.30%。

需要说明的是，在S3中序批式反应器运行周期的进水阶段向序批式反应器添加有机废水和储备液。其中，有机废水的组成成分及浓度为COD：2500mg/L，NH

实施例2：

本实施例提供了一种利用剩余污泥与白酒废水发酵物以氧化亚氮为电子受体生产PHA的方法，包括以下步骤：

S1：取173ml剩余污泥，通过超声波破碎仪对其进行超声破碎预处理，得到破碎污泥，其中，超声波破碎仪的超声波频率为20kHz，超声密度为1.0W/mL，超声时间为10min；

S2：将173ml破碎污泥与173ml剩余污泥混合，将其添加至有效容积为450ml的密封瓶中，并向密封瓶中加入10.2ml白酒废水，将密封瓶内的ph调节至8，随后使用氮气对密封瓶内吹扫3min，再塞紧瓶塞，之后将密封瓶放入温度为35℃，转速为180rpm的恒温摇床内进行联合厌氧发酵反应，其中，联合厌氧发酵的过程中最大挥发性脂肪酸（VFAs）总积累量为5219mgCOD/L，对应的反应时间为8d，得到厌氧发酵液；

S3：采用有效容积为9L的序批式反应器（SBR）作为PHA合成菌富集反应器，将活性污泥添加至反应器内，选用好氧SBR的运行方式，运行周期为360min，其中进水阶段时长为5min，反应阶段时长为320min，沉淀阶段时长为20min，排水阶段时长为7min，闲置阶段时长为8min，排水比取为50%，污泥龄为10d，通过人工排泥获得驯化后的活性污泥；

S4：取有效容积为450ml的密封瓶，取富集反应器中驯化后的活性污泥250ml，并取200ml厌氧发酵液，混合后添加至密封瓶内，随后向密封瓶内通入氧化亚氮直至饱和，之后将密封瓶密封，放入温度为25℃，转速为160rpm的恒温摇床内，反应9h后得到PHA。

上述反应条件下得到的PHA的含量为21.31%。

需要说明的是，在S3中序批式反应器运行周期的进水阶段向序批式反应器添加有机废水和储备液。其中，有机废水的组成成分及浓度为COD：2500mg/L，NH

实施例3：

本实施例提供了一种利用剩余污泥与白酒废水发酵物以氧化亚氮为电子受体生产PHA的方法，包括以下步骤：

S1：取130ml剩余污泥，通过超声波破碎仪对其进行超声破碎预处理，得到破碎污泥，其中，超声波破碎仪的超声波频率为20kHz，超声密度为1.0W/mL，超声时间为10min；

S2：将130ml破碎污泥与130ml剩余污泥混合，将其添加至有效容积为450ml的密封瓶中，并向密封瓶中加入15.3ml白酒废水，将密封瓶内的ph调节至8，随后使用氮气对密封瓶内吹扫3min，再塞紧瓶塞，之后将密封瓶放入温度为35℃，转速为180rpm的恒温摇床内进行联合厌氧发酵反应，其中，联合厌氧发酵的过程中最大挥发性脂肪酸（VFAs）总积累量为6320mgCOD/L，对应的反应时间为8d，得到厌氧发酵液；

S3：采用有效容积为9L的序批式反应器（SBR）作为PHA合成菌富集反应器，将活性污泥添加至反应器内，选用好氧SBR的运行方式，运行周期为360min，其中进水阶段时长为5min，反应阶段时长为320min，沉淀阶段时长为20min，排水阶段时长为7min，闲置阶段时长为8min，排水比取为50%，污泥龄为10d，通过人工排泥获得驯化后的活性污泥；

S4：取有效容积为450ml的密封瓶，取富集反应器中驯化后的活性污泥250ml，并取200ml厌氧发酵液，混合后添加至密封瓶内，随后向密封瓶内通入氧化亚氮直至饱和，之后将密封瓶密封，放入温度为25℃，转速为160rpm的恒温摇床内，反应11h后得到PHA。

上述反应条件下得到的PHA的含量为23.36%。

需要说明的是，在S3中序批式反应器运行周期的进水阶段向序批式反应器添加有机废水和储备液。其中，有机废水的组成成分及浓度为COD：2500mg/L，NH

实施例4：

本实施例提供了一种利用剩余污泥与白酒废水发酵物以氧化亚氮为电子受体生产PHA的方法，包括以下步骤：

S1：取86.5ml剩余污泥，通过超声波破碎仪对其进行超声破碎预处理，得到破碎污泥，其中，超声波破碎仪的超声波频率为20kHz，超声密度为1.0W/mL，超声时间为10min；

S2：将86.5ml破碎污泥与86.5ml剩余污泥混合，将其添加至有效容积为450ml的密封瓶中，并向密封瓶中加入20.5ml白酒废水，将密封瓶内的ph调节至8，随后使用氮气对密封瓶内吹扫3min，再塞紧瓶塞，之后将密封瓶放入温度为35℃，转速为180rpm的恒温摇床内进行联合厌氧发酵反应，其中，联合厌氧发酵的过程中最大挥发性脂肪酸（VFAs）总积累量为6768 mgCOD/L，对应的反应时间为8d，得到厌氧发酵液；

S3：采用有效容积为9L的序批式反应器（SBR）作为PHA合成菌富集反应器，将活性污泥添加至反应器内，选用好氧SBR的运行方式，运行周期为360min，其中进水阶段时长为5min，反应阶段时长为320min，沉淀阶段时长为20min，排水阶段时长为7min，闲置阶段时长为8min，排水比取为50%，污泥龄为10d，通过人工排泥获得驯化后的活性污泥；

S4：取有效容积为450ml的密封瓶，取富集反应器中驯化后的活性污泥250ml，并取200ml厌氧发酵液，混合后添加至密封瓶内，随后向密封瓶内通入氧化亚氮直至饱和，之后将密封瓶密封，放入温度为25℃，转速为160rpm的恒温摇床内，反应11h后得到PHA。

上述反应条件下得到的PHA的含量为30.31%。

需要说明的是，在S3中序批式反应器运行周期的进水阶段向序批式反应器添加有机废水和储备液。其中，有机废水的组成成分及浓度为COD：2500mg/L，NH

实施例5：

本实施例提供了一种利用剩余污泥与白酒废水发酵物以氧化亚氮为电子受体生产PHA的方法，包括以下步骤：

S1：取52ml剩余污泥，通过超声波破碎仪对其进行超声破碎预处理，得到破碎污泥，其中，超声波破碎仪的超声波频率为20kHz，超声密度为1.0W/mL，超声时间为10min；

S2：将52ml破碎污泥与52ml剩余污泥混合，将其添加至有效容积为450ml的密封瓶中，并向密封瓶中加入24.5ml白酒废水，将密封瓶内的ph调节至8，随后使用氮气对密封瓶内吹扫3min，再塞紧瓶塞，之后将密封瓶放入温度为35℃，转速为180rpm的恒温摇床内进行联合厌氧发酵反应，其中，联合厌氧发酵的过程中最大挥发性脂肪酸（VFAs）总积累量为6162mgCOD/L，对应的反应时间为8d，得到厌氧发酵液；

S3：采用有效容积为9L的序批式反应器（SBR）作为PHA合成菌富集反应器，将活性污泥添加至反应器内，选用好氧SBR的运行方式，运行周期为360min，其中进水阶段时长为5min，反应阶段时长为320min，沉淀阶段时长为20min，排水阶段时长为7min，闲置阶段时长为8min，排水比取为50%，污泥龄为10d，通过人工排泥获得驯化后的活性污泥；

S4：取有效容积为450ml的密封瓶，取富集反应器中驯化后的活性污泥250ml，并取200ml厌氧发酵液，混合后添加至密封瓶内，随后向密封瓶内通入氧化亚氮直至饱和，之后将密封瓶密封，放入温度为25℃，转速为160rpm的恒温摇床内，反应11h后得到PHA。

上述反应条件下得到的PHA的含量为32.67%。

需要说明的是，在S3中序批式反应器运行周期的进水阶段向序批式反应器添加有机废水和储备液。其中，有机废水的组成成分及浓度为COD：2500mg/L，NH

实施例6：

本实施例提供了一种利用剩余污泥与白酒废水发酵物以氧化亚氮为电子受体生产PHA的方法，包括以下步骤：

S1：取225ml剩余污泥，通过超声波破碎仪对其进行超声破碎预处理，得到破碎污泥，其中，超声波破碎仪的超声波频率为20kHz，超声密度为1.0W/mL，超声时间为10min；

S2：将225ml破碎污泥与225ml剩余污泥混合，将其添加至有效容积为450ml的密封瓶中，将密封瓶内的ph调节至8，随后使用氮气对密封瓶内吹扫3min，再塞紧瓶塞，之后将密封瓶放入温度为35℃，转速为180rpm的恒温摇床内进行联合厌氧发酵反应，其中，联合厌氧发酵的过程中最大挥发性脂肪酸（VFAs）总积累量为6162 mgCOD/L，对应的反应时间为8d，得到厌氧发酵液；

S3：采用有效容积为9L的序批式反应器（SBR）作为PHA合成菌富集反应器，将活性污泥添加至反应器内，选用好氧SBR的运行方式，运行周期为360min，其中进水阶段时长为5min，反应阶段时长为320min，沉淀阶段时长为20min，排水阶段时长为7min，闲置阶段时长为8min，排水比取为50%，污泥龄为10d，通过人工排泥获得驯化后的活性污泥；

S4：取有效容积为450ml的密封瓶，取富集反应器中驯化后的活性污泥250ml，并取200ml厌氧发酵液，混合后添加至密封瓶内，随后向密封瓶内通入氧化亚氮直至饱和，之后将密封瓶密封，放入温度为25℃，转速为160rpm的恒温摇床内，反应11h后得到PHA。

上述反应条件下得到的PHA的含量为16.83%。

需要说明的是，在S3中序批式反应器运行周期的进水阶段向序批式反应器添加有机废水和储备液。其中，有机废水的组成成分及浓度为COD：2500mg/L，NH

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式；凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。