活性污泥合成聚羥基脂肪酸酯工藝技術

第1章　緒論 1
1.1 聚羥基脂肪酸酯概述 1
1.2 PHA的組成、特性及分類 2
1.3 PHA的常見合成途徑 4
1.3.1 活性污泥合成PHA 4
1.3.2 細菌發酵法合成PHA 4
1.3.3 基因工程法合成PHA 5
1.3.4 化學合成PHA 6
1.3.5 利用 微生物生產PHA 6
1.4 活性污泥合成PHA的原理概述 7
1.4.1 市政污泥的資源化利用 7
1.4.2 活性污泥合成PHA的主要工藝運行策略 9
1.4.3 活性污泥產PHA菌群富集過程的影響因素 13
1.4.4 PHA合成過程的代謝模型研究進展 20

第2章　基於活性污泥定向產酸技術的碳源製備技術 23
2.1 低成本碳源合成PHA研究現狀 23
2.1.1 污泥發酵液合成PHA的應用 23
2.1.2 污泥-粗甘油共發酵產酸可行性分析 24
2.1.3 污泥發酵產酸 24
2.2 污泥發酵液合成PHA工藝原理及試驗裝置 27
2.2.1 污泥厭氧發酵產酸原理 27
2.2.2 實驗裝置 28
2.2.3 PHA合成工藝設計 35
2.3 參數計算方法 35
2.3.1 VFA總產率 35
2.3.2 發酵液酸化率 36
2.3.3 PHA產率 36
2.3.4 PHB、PHV相對含量 36
2.4 廢棄碳源共發酵產酸效率與底物降解規律分析 36
2.4.1 污泥-甘油共發酵的產酸效果 36
2.4.2 污泥-甘油/污泥-澱粉共發酵的產酸效果 38
2.4.3 β-環糊精對污泥厭氧發酵產酸效果的影響 41
2.4.4 溶解性蛋白質變化規律 42
2.4.5 氨氮變化規律 45
2.4.6 溶解性多糖變化規律 47
2.5 VFA組分分析與微生物群落結構變化分析 49
2.5.1 末端發酵液VFA組分分析 49
2.5.2 VFA中奇數碳變化規律 51
2.5.3 污泥-甘油發酵實驗微生物群落變化分析 53
2.5.4 污泥-甘油/污泥-澱粉共發酵實驗微生物群落變化分析 54
2.5.5 β-環糊精強化污泥水解實驗微生物群落結構變化分析 56
2.6 基於回應曲面實驗的多參數定向產酸調控 57
2.6.1 厭氧發酵產酸丙酸比例的調控 57
2.6.2 厭氧發酵產酸奇數碳VFA比例的優化 59
2.6.3 污泥厭氧發酵液中溶解性蛋白質含量 61

第3章　半連續流定向產酸及合成PHA 研究 63
3.1 半連續流工藝運行參數設計 63
3.2 半連續流工藝定向產酸調控效果 64
3.2.1 不同工況條件下的產酸能力對比 64
3.2.2 不同工況條件下發酵產物中VFA組分對比 66
3.3 半連續流工藝大分子有機物降解規律 67
3.4 半連續流工藝微生物群落結構變化規律 68
3.4.1 奇數碳VFA型發酵微生物群落結構變化規律 68
3.4.2 偶數碳VFA型發酵微生物群落結構變化規律 69
3.5 半連續流的污泥發酵液合成PHA研究 71
3.5.1 發酵液預處理 71
3.5.2 合成PHA過程中底物消耗規律分析 71
3.5.3 不同VFA組分的底物對PHA合成效果的分析 73

第4章　活性污泥合成PHA 的充盈-匱乏模式研究 76
4.1 實驗設計 76
4.1.1 實驗裝置與實驗設計 76
4.1.2 好氧顆粒污泥的培養 78
4.1.3 好氧顆粒污泥模式合成PHA的研究 80
4.2 好氧暫態補料結合沉降性能篩選模式對混合菌群合成PHA影響 82
4.2.1 PHA合成菌富集階段的充盈-匱乏篩選作用 82
4.2.2 PHA合成菌富集階段的沉降性能篩選作用 84
4.2.3 PHA富集階段污泥特性與底物消耗 86
4.2.4 好氧顆粒污泥運行模式下的PHA合成能力 86
4.3 不同篩選模式下PHA合成能力 88

第5章　基於物理-生態雙選擇壓力的動態間歇排水暫態補料新工藝 94
5.1 實驗設計 94
5.1.1 活性污泥在ADD工藝下合成PHA富集階段的實驗設計 94
5.1.2 活性污泥在ADD工藝下PHA合成階段間歇補料實驗設計 95
5.1.3 活性污泥在ADD工藝下PHA富集階段的影響因素實驗設計 95
5.2 動態間歇排水暫態補料工藝概述 97
5.2.1 ADD工藝運行模式的典型週期 97
5.2.2 反應器穩定運行的指示參數 98
5.3 利用ADD工藝運行模式下的活性污泥合成PHA快速富集指標及效果評價 99
5.3.1 反應器啟動階段 99
5.3.2 污泥濃度與污泥指數 101
5.3.3 富集階段ADD工藝下的底物吸收與PHA合成 103
5.3.4 合成階段ADD工藝下的PHA合成能力 105
5.3.5 基於混菌擴大培養內嵌的改進型三段式PHA合成工藝研究 106
5.4 活性污泥在ADD工藝下合成PHA富集階段的工藝優化 108
5.4.1 底物濃度 108
5.4.2 週期 110
5.4.3 溫度 114
5.4.4 VFA組分分析 116
5.4.5 生物固體停留時間 117
5.4.6 微生物群落結構變化規律 119
5.5 沉降性能篩選作用的指示指標研究 120
5.6 基於CFD模擬的混合菌群合成PHA工藝篩選機制 124
5.6.1 計算流體力學簡述 124
5.6.2 CFD模擬的混合菌群概況 127
5.6.3 模擬結果與分析 132

第6章　ADD 工藝下活性污泥ANN 參數優化與代謝模型 135
6.1 基於ANN模型的反應器多參數敏感性分析與優化 136
6.1.1 人工神經網路模型設計 136
6.1.2 人工神經網路模型的建立與多參數敏感性分析 138
6.2 基於人工神經網路模型的反應器多參數敏感性建立分析與優化 142
6.3 PHA合成過程的常見代謝模型的研究進展 144
6.4 ADD工藝下混合菌群合成PHA的代謝模型 145
6.4.1 混合菌群合成PHA的代謝模型的建立 145
6.4.2 混合菌群在PHA富集階段的代謝模型 147
6.4.3 混合菌群在PHA合成階段的代謝模型 151

第7章　活性污泥在ADD 工藝下利用混合碳源合成PHA 的研究 153
7.1 餐廚垃圾處置概況 154
7.1.1 混合菌群利用餐廚垃圾產酸液合成PHA概述 154
7.1.2 混合菌群利用餐廚垃圾產酸液合成PHA技術研究 154
7.2 活性污泥利用混合碳源合成PHA 154
7.2.1 混合碳源條件下PHA富集階段的研究 155
7.2.2 混合碳源條件下PHA合成階段的研究 157
7.3 活性污泥利用混合碳源合成PHA的代謝模型與PHA含量預測 159
7.3.1 活性污泥利用混合碳源合成PHA的代謝模型 159
7.3.2 人工神經網路對活性污泥利用混合碳源合成PHA的預測 162
7.4 基於GA-BP神經網路的餐廚垃圾合成PHA工藝產量預測 164
7.4.1 GA (遺傳演算法) 基本原理 164
7.4.2 遺傳演算法優化BP神經網路(GA-BP) 基本原理 165
7.4.3 BP神經網路樣本選取 166
7.4.4 樣本歸一化與神經網路的結構設計 166
7.4.5 遺傳演算法設定與神經網路預測結果分析 167

第8章　餐廚垃圾產酸——生物合成PHA 技術研究 169
8.1 實驗裝置 171
8.1.1 好氧動態排水裝置 171
8.1.2 序批式馴化反應器 172
8.1.3 PHA批次反應裝置 172
8.1.4 餐廚垃圾產酸反應器 173
8.2 實驗材料及取樣方式 174
8.2.1 試驗試劑 175
8.2.2 對ADD及SBR反應器進行週期取樣 176
8.2.3 PHA合成批次試驗取樣 176
8.2.4 動力學參數定義與計算 176
8.3 暫態鹽度衝擊對混菌合成PHA影響及優化ADD模式篩選產PHA菌群177
8.3.1 暫態鹽度衝擊對混菌批次階段合成PHA影響 178
8.3.2 暫態鹽度衝擊對不同進水負荷馴化菌群合成PHA的影響 178
8.4 優化ADD模式進水負荷快速篩選高產PHA菌群 181
8.4.1 試驗運行條件 181
8.4.2 ADD工藝運行模式不同進水負荷啟動特性 181
8.4.3 ADD工藝運行模式不同進水負荷篩選混菌合成PHA能力比較 183
8.5 不同鹽度對低進水負荷SBR馴化反應器富集效果的影響 184
8.5.1 試驗運行條件 184
8.5.2 不同鹽度下污泥胞外聚合物的變化 184
8.5.3 不同鹽度下活性污泥理化特性的變化 186
8.6 不同鹽度對低進水負荷馴化混菌合成PHA能力的影響 191
8.6.1 不同鹽度下富集期PHA動態合成變化 191
8.6.2 不同鹽度下合成階段 產PHA能力比較 196
8.6.3 不同鹽度下富集菌群耐暫態鹽濃度衝擊性能比較 198
8.7 不同鹽度對高進水負荷SBR馴化反應器富集效果的影響 201
8.7.1 試驗運行條件 201
8.7.2 不同鹽度下污泥胞外聚合物的變化 201
8.7.3 不同鹽度下活性污泥理化特性的變化 203
8.8 不同鹽度對高進水負荷馴化混菌合成PHA能力的影響 208
8.8.1 不同鹽度下富集期PHA動態合成的變化 208
8.8.2 不同鹽度下合成階段 產PHA能力比較 210
8.8.3 不同鹽度下富集菌群耐暫態鹽濃度衝擊性能比較 213
8.8.4 不同鹽度下高/低兩種進水負荷富集菌群合成PHA能力比較 214
8.8.5 不同鹽度下高/低兩種進水負荷富集菌群的微生物群落結構比較 215

第9章　實際餐廚垃圾厭氧產酸及合成PHA 研究 222
9.1 實際餐廚垃圾厭氧產酸工藝 222
9.1.1 餐廚垃圾及接種污泥 222
9.1.2 餐廚垃圾產酸發酵液性質及預處理 223
9.2 不同鹽度下混菌利用實際餐廚垃圾酸化產物合成PHA研究 223
9.2.1 不同鹽度對於產酸液碳源利用的影響 224
9.2.2 不同鹽度對於混合菌群菌體生長的影響 224
9.2.3 不同鹽度對於PHA合成的影響 226

參考文獻 228