活性污泥合成聚羟基脂肪酸酯工艺技术

塑料污染已经成为全球面临的主要环境问题之一，石油基塑料对地球生物圈的影响会愈演愈烈，寻找对策已刻不容缓。《中华人民共和国固体废弃污染环境防治法》对不可降解塑料袋等一次性塑料制品的生产和使用等进行了限制，并推广应用可循环并可降解的替代产品。2020年底国家发展和改革委员会及生态环境部印发《关于进一步加强塑料污染治理的意见》，按照“禁限一批、替代循环一批、规范一批”的原则，至2022年我国一次性塑料制品的消费量要明显减少，替代产品得到推广。

聚羟基脂肪酸酯(PHA)是新一代污水处理概念中发展前途的生物质基化学产品，其良好的生物可降解性使其有望替代传统塑料。目前，生物合成PHA 的商业推广以纯菌发酵为主，但是相对较高的碳源费用、消毒灭菌成本及微生物分离纯化费用限制了PHA 的规模化应用，混菌产PHA 工艺则无需底物灭菌并可利用废弃碳源，可省去纯培养所必需的灭菌环节。针对污泥定向产酸困难、产PHA 菌富集系统评价体系及稳定调控对策缺失、混菌生产PHA 合成能力低等关键问题，本书介绍了污泥产酸代谢定向调控、产PHA 菌富集系统微生物的动态监控、产PHA 菌富集系统评价体系的构建及PHA 合成能力的提高等方面的研究。利用物理和生态双重选择压力联合作为PHA 合成菌富集模式的核心工艺，针对餐厨垃圾在厌氧产甲烷过程中产生的小分子有机酸作为混合菌种PHA 合成的良好底物，开展餐厨垃圾产酸代谢定向调控及物理和生态双重选择压力联合富集工艺优化与量化模拟等方面的研究。旨在明确物理与生态选择压力在PHA 合成菌富集过程中的协作制约关系，构建PHA 合成菌种高效稳定富集体系。

本 书作者在开展国家自然科学基金面上项目《基于污泥定向产酸及产PHA菌富集系统评价的利用污泥碳源合成生物可降解塑料》的研究过程中提出：物理选择压力对第二段产PHA 菌富集阶段的促进作用，明确偶合充盈-匮乏生态选择压力协同作用可快速提升PHA 含量，此工艺根据其运行特点被命名为动态间歇排水瞬时补料(Aerobic Dynamic Discharge，ADD)模式。该模式在产PHA菌富集初期驯化阶段的快速启动和产PHA 菌富集成熟期含量提升做出了一定突破，为进一步提升利用剩余污泥碳源合成PHA 的工艺效能提供了新的思路。基于此，我们开展了“活性污泥合成聚羟基脂肪酸酯快速富集工艺及应用”的研究。相关研究成果将为废弃碳源资源化和PHA 合成工艺的低成本应用提供理论和调控关键技术支撑。

全书共分为9章，包括绪论、基于活性污泥定向产酸技术的碳源制备技术、半连续流定向产酸及合成PHA 研究、活性污泥合成PHA 的充盈-匮乏模式研究、基于物理-生态双选择压力的动态间歇排水瞬时补料新工艺(ADD)、ADD工艺下活性污泥ANN 参数优化与代谢模型、活性污泥在ADD工艺下利用混合碳源合成PHA 的研究、餐厨垃圾产酸———生物合成PHA 技术研究、实际餐厨垃圾厌氧产酸及合成PHA 研究。

特别感谢黑龙江省普通本科高等学校青年创新人才培养计划“秸秆碳源基于ADD新模式下合成PHA 工艺的优化控制与机理” (项目号：UNPYSCT-20200214)以及哈尔滨商业大学博士启动基金“基于动态间歇排水瞬时补料模式下产PHA 富集新工艺的优化控制与机理研究”(项目号：2019DS071)对本书的资助。

本书由郭子瑞执笔撰写全文书稿，池日光(哈尔滨商业大学)对第5章及第6章的撰写提供了帮助，孙勇(黑龙江科技大学)负责全书的数据整理，杨晓晓(哈尔滨商业大学)负责文字校订工作。参与本书内容实验研究的有黄龙(郑州大学)、熊丹丹(武汉市自来水有限公司)、郝亚茹(河北省文物与古建筑保护研究院)等。感谢哈尔滨工业大学陈志强教授和温沁雪教授为本书提供的研究条件及技术支持。

本书作者在以混合菌群合成聚羟基脂肪酸酯的研究领域开展了一定的基础性研究，在推动可降解生物塑料进入现代循环经济体系方面虽尽了绵薄之力，但对于生物降解塑料制品的加工、开发、应用等环节仍存在技术壁垒，书中存在不足之处，敬请专家、同行及读者批评指正。

著者

聚羟基脂肪酸脂（PHA）是新一代污水处理概念中非常有发展前途的生物质基化学产品，本书系统性地介绍了利用活性污泥混合菌群合成PHA的技术，包括基于活性污泥定向产酸技术的碳源制备、半连续流定向产酸过程、活性污泥合成PHA的充盈-匮乏模式；重点介绍了基于物理-生态双选择压的动态间歇排水瞬时补料（ADD）模式，在该模式下建立人工神经网络参数优化模型与微生物新陈代谢模型，并拓展活性污泥在ADD模式下利用混合碳源及餐厨垃圾合成PHA的应用领域。本书可供高等院校市政工程、环境工程及相关专业的师生以及从事相关专业的科研人员、工程师阅读和参考。

第1章　绪论 1

1.1 聚羟基脂肪酸酯概述 1

1.2 PHA的组成、特性及分类 2

1.3 PHA的常见合成途径 4

1.3.1 活性污泥合成PHA  4

1.3.2 细菌发酵法合成PHA  4

1.3.3 基因工程法合成PHA  5

1.3.4 化学合成PHA  6

1.3.5 利用微生物生产PHA  6

1.4 活性污泥合成PHA的原理概述 7

1.4.1 市政污泥的资源化利用 7

1.4.2 活性污泥合成PHA的主要工艺运行策略 9

1.4.3 活性污泥产PHA菌群富集过程的影响因素 13

1.4.4 PHA合成过程的代谢模型研究进展 20

第2章　基于活性污泥定向产酸技术的碳源制备技术 23

2.1 低成本碳源合成PHA研究现状 23

2.1.1 污泥发酵液合成PHA的应用 23

2.1.2 污泥-粗甘油共发酵产酸可行性分析 24

2.1.3 污泥发酵产酸 24

2.2 污泥发酵液合成PHA工艺原理及试验装置 27

2.2.1 污泥厌氧发酵产酸原理 27

2.2.2 实验装置 28

2.2.3 PHA合成工艺设计 35

2.3 参数计算方法 35

2.3.1 VFA总产率 35

2.3.2 发酵液酸化率 36

2.3.3 PHA产率 36

2.3.4 PHB、PHV相对含量 36

2.4 废弃碳源共发酵产酸效率与底物降解规律分析 36

2.4.1 污泥-甘油共发酵的产酸效果 36

2.4.2 污泥-甘油/污泥-淀粉共发酵的产酸效果 38

2.4.3 β-环糊精对污泥厌氧发酵产酸效果的影响 41

2.4.4 溶解性蛋白质变化规律 42

2.4.5 氨氮变化规律 45

2.4.6 溶解性多糖变化规律 47

2.5 VFA组分分析与微生物群落结构变化分析 49

2.5.1 末端发酵液VFA组分分析 49

2.5.2 VFA中奇数碳变化规律 51

2.5.3 污泥-甘油发酵实验微生物群落变化分析 53

2.5.4 污泥-甘油/污泥-淀粉共发酵实验微生物群落变化分析 54

2.5.5 β-环糊精强化污泥水解实验微生物群落结构变化分析 56

2.6 基于响应曲面实验的多参数定向产酸调控 57

2.6.1 厌氧发酵产酸丙酸比例的调控 57

2.6.2 厌氧发酵产酸奇数碳VFA比例的优化 59

2.6.3 污泥厌氧发酵液中溶解性蛋白质含量 61

第3章　半连续流定向产酸及合成PHA 研究 63

3.1 半连续流工艺运行参数设计 63

3.2 半连续流工艺定向产酸调控效果 64

3.2.1 不同工况条件下的产酸能力对比 64

3.2.2 不同工况条件下发酵产物中VFA组分对比 66

3.3 半连续流工艺大分子有机物降解规律 67

3.4 半连续流工艺微生物群落结构变化规律 68

3.4.1 奇数碳VFA型发酵微生物群落结构变化规律 68

3.4.2 偶数碳VFA型发酵微生物群落结构变化规律 69

3.5 半连续流的污泥发酵液合成PHA研究 71  

3.5.1 发酵液预处理 71

3.5.2 合成PHA过程中底物消耗规律分析 71

3.5.3 不同VFA组分的底物对PHA合成效果的分析 73

第4章　活性污泥合成PHA 的充盈-匮乏模式研究 76

4.1 实验设计 76

4.1.1 实验装置与实验设计 76

4.1.2 好氧颗粒污泥的培养 78

4.1.3 好氧颗粒污泥模式合成PHA的研究 80

4.2 好氧瞬时补料结合沉降性能筛选模式对混合菌群合成PHA影响 82

4.2.1 PHA合成菌富集阶段的充盈-匮乏筛选作用 82

4.2.2 PHA合成菌富集阶段的沉降性能筛选作用 84

4.2.3 PHA富集阶段污泥特性与底物消耗 86

4.2.4 好氧颗粒污泥运行模式下的PHA合成能力 86

4.3 不同筛选模式下PHA合成能力 88

第5章　基于物理-生态双选择压力的动态间歇排水瞬时补料新工艺 94

5.1 实验设计 94

5.1.1 活性污泥在ADD工艺下合成PHA富集阶段的实验设计 94

5.1.2 活性污泥在ADD工艺下PHA合成阶段间歇补料实验设计 95

5.1.3 活性污泥在ADD工艺下PHA富集阶段的影响因素实验设计 95

5.2 动态间歇排水瞬时补料工艺概述 97

5.2.1 ADD工艺运行模式的典型周期 97

5.2.2 反应器稳定运行的指示参数 98

5.3 利用ADD工艺运行模式下的活性污泥合成PHA快速富集指标及效果评价 99

5.3.1 反应器启动阶段 99

5.3.2 污泥浓度与污泥指数 101

5.3.3 富集阶段ADD工艺下的底物吸收与PHA合成 103

5.3.4 合成阶段ADD工艺下的PHA合成能力 105

5.3.5 基于混菌扩大培养内嵌的改进型三段式PHA合成工艺研究 106

5.4 活性污泥在ADD工艺下合成PHA富集阶段的工艺优化 108

5.4.1 底物浓度 108

5.4.2 周期 110

5.4.3 温度 114

5.4.4 VFA组分分析 116

5.4.5 生物固体停留时间 117

5.4.6 微生物群落结构变化规律 119

5.5 沉降性能筛选作用的指示指标研究 120

5.6 基于CFD模拟的混合菌群合成PHA工艺筛选机制 124

5.6.1 计算流体力学简述 124

5.6.2 CFD模拟的混合菌群概况 127

5.6.3 模拟结果与分析 132

第6章　ADD 工艺下活性污泥ANN 参数优化与代谢模型 135

6.1 基于ANN模型的反应器多参数敏感性分析与优化 136

6.1.1 人工神经网络模型设计 136

6.1.2 人工神经网络模型的建立与多参数敏感性分析 138

6.2 基于人工神经网络模型的反应器多参数敏感性建立分析与优化 142

6.3 PHA合成过程的常见代谢模型的研究进展 144

6.4 ADD工艺下混合菌群合成PHA的代谢模型 145

6.4.1 混合菌群合成PHA的代谢模型的建立 145

6.4.2 混合菌群在PHA富集阶段的代谢模型 147

6.4.3 混合菌群在PHA合成阶段的代谢模型 151

第7章　活性污泥在ADD 工艺下利用混合碳源合成PHA 的研究 153

7.1 餐厨垃圾处置概况 154

7.1.1 混合菌群利用餐厨垃圾产酸液合成PHA概述 154

7.1.2 混合菌群利用餐厨垃圾产酸液合成PHA技术研究 154

7.2 活性污泥利用混合碳源合成PHA  154

7.2.1 混合碳源条件下PHA富集阶段的研究 155

7.2.2 混合碳源条件下PHA合成阶段的研究 157

7.3 活性污泥利用混合碳源合成PHA的代谢模型与PHA含量预测 159

7.3.1 活性污泥利用混合碳源合成PHA的代谢模型 159

7.3.2 人工神经网络对活性污泥利用混合碳源合成PHA的预测 162  

7.4 基于GA-BP神经网络的餐厨垃圾合成PHA工艺产量预测 164

7.4.1 GA (遗传算法) 基本原理 164

7.4.2 遗传算法优化BP神经网络(GA-BP) 基本原理 165

7.4.3 BP神经网络样本选取 166

7.4.4 样本归一化与神经网络的结构设计 166

7.4.5 遗传算法设定与神经网络预测结果分析 167

第8章　餐厨垃圾产酸——生物合成PHA 技术研究 169

8.1 实验装置 171

8.1.1 好氧动态排水装置 171

8.1.2 序批式驯化反应器 172

8.1.3 PHA批次反应装置 172

8.1.4 餐厨垃圾产酸反应器 173

8.2 实验材料及取样方式 174

8.2.1 试验试剂 175

8.2.2 对ADD及SBR反应器进行周期取样 176

8.2.3 PHA合成批次试验取样 176

8.2.4 动力学参数定义与计算 176

8.3 瞬时盐度冲击对混菌合成PHA影响及优化ADD模式筛选产PHA菌群177

8.3.1 瞬时盐度冲击对混菌批次阶段合成PHA影响 178

8.3.2 瞬时盐度冲击对不同进水负荷驯化菌群合成PHA的影响 178

8.4 优化ADD模式进水负荷快速筛选高产PHA菌群 181

8.4.1 试验运行条件 181

8.4.2 ADD工艺运行模式不同进水负荷启动特性 181

8.4.3 ADD工艺运行模式不同进水负荷筛选混菌合成PHA能力比较 183

8.5 不同盐度对低进水负荷SBR驯化反应器富集效果的影响 184

8.5.1 试验运行条件 184

8.5.2 不同盐度下污泥胞外聚合物的变化 184

8.5.3 不同盐度下活性污泥理化特性的变化 186

8.6 不同盐度对低进水负荷驯化混菌合成PHA能力的影响 191

8.6.1 不同盐度下富集期PHA动态合成变化 191

8.6.2 不同盐度下合成阶段产PHA能力比较 196

8.6.3 不同盐度下富集菌群耐瞬时盐浓度冲击性能比较 198

8.7 不同盐度对高进水负荷SBR驯化反应器富集效果的影响 201

8.7.1 试验运行条件 201

8.7.2 不同盐度下污泥胞外聚合物的变化 201

8.7.3 不同盐度下活性污泥理化特性的变化 203

8.8 不同盐度对高进水负荷驯化混菌合成PHA能力的影响 208

8.8.1 不同盐度下富集期PHA动态合成的变化 208

8.8.2 不同盐度下合成阶段产PHA能力比较 210

8.8.3 不同盐度下富集菌群耐瞬时盐浓度冲击性能比较 213

8.8.4 不同盐度下高/低两种进水负荷富集菌群合成PHA能力比较 214

8.8.5 不同盐度下高/低两种进水负荷富集菌群的微生物群落结构比较 215

第9章　实际餐厨垃圾厌氧产酸及合成PHA 研究 222

9.1 实际餐厨垃圾厌氧产酸工艺 222

9.1.1 餐厨垃圾及接种污泥 222

9.1.2 餐厨垃圾产酸发酵液性质及预处理 223

9.2 不同盐度下混菌利用实际餐厨垃圾酸化产物合成PHA研究 223

9.2.1 不同盐度对于产酸液碳源利用的影响 224

9.2.2 不同盐度对于混合菌群菌体生长的影响 224

9.2.3 不同盐度对于PHA合成的影响 226

参考文献 228

聚羟基脂肪酸脂（PHA）是新一代污水处理概念中非常有发展前途的生物质基化学产品，本书系统性地介绍了利用活性污泥混合菌群合成PHA的技术，包括基于活性污泥定向产酸技术的碳源制备、半连续流定向产酸过程、活性污泥合成PHA的充盈-匮乏模式；重点介绍了基于物理-生态双选择压的动态间歇排水瞬时补料（ADD）模式，在该模式下建立人工神经网络参数优化模型与微生物新陈代谢模型，并拓展活性污泥在ADD模式下利用混合碳源及餐厨垃圾合成PHA的应用领域。本书可供高等院校市政工程、环境工程及相关专业的师生以及从事相关专业的科研人员、工程师阅读和参考。

聚羟基脂肪酸酯（PHA）是新一代污水处理概念中非常有发展前途的生物质基化学产品，其良好的生物可降解性使其有望替代传统塑料。本书介绍了对动态间歇排水瞬时补料（ADD）模式的研究，该模式在产PHA菌富集初期驯化阶段的快速启动和产PHA菌富集成熟期含量提升做出了一定突破，为进一步提升利用剩余污泥碳源合成PHA的工艺效能提供了新的思路；书中还介绍了活性污泥合成聚羟基脂肪酸酯快速富集工艺及应用，相关研究成果将为废弃碳源资源化和PHA合成工艺的低成本应用提供理论和调控关键技术支撑。