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(fā)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 利用極端微生物生產(chǎn)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(chǎn)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　基于活性污泥定向產(chǎn)酸技術的碳源制備技術 23
2.1 低成本碳源合成PHA研究現(xiàn)狀 23
2.1.1 污泥發(fā)酵液合成PHA的應用 23
2.1.2 污泥-粗甘油共發(fā)酵產(chǎn)酸可行性分析 24
2.1.3 污泥發(fā)酵產(chǎn)酸 24
2.2 污泥發(fā)酵液合成PHA工藝原理及試驗裝置 27
2.2.1 污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)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(shù)計算方法 35
2.3.1 VFA總產(chǎn)率 35
2.3.2 發(fā)酵液酸化率 36
2.3.3 PHA產(chǎn)率 36
2.3.4 PHB、PHV相對含量 36
2.4 廢棄碳源共發(fā)酵產(chǎn)酸效率與底物降解規(guī)律分析 36
2.4.1 污泥-甘油共發(fā)酵的產(chǎn)酸效果 36
2.4.2 污泥-甘油/污泥-淀粉共發(fā)酵的產(chǎn)酸效果 38
2.4.3 β-環(huán)糊精對污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸效果的影響 41
2.4.4 溶解性蛋白質(zhì)變化規(guī)律 42
2.4.5 氨氮變化規(guī)律 45
2.4.6 溶解性多糖變化規(guī)律 47
2.5 VFA組分分析與微生物群落結(jié)構(gòu)變化分析 49
2.5.1 末端發(fā)酵液VFA組分分析 49
2.5.2 VFA中奇數(shù)碳變化規(guī)律 51
2.5.3 污泥-甘油發(fā)酵實驗微生物群落變化分析 53
2.5.4 污泥-甘油/污泥-淀粉共發(fā)酵實驗微生物群落變化分析 54
2.5.5 β-環(huán)糊精強化污泥水解實驗微生物群落結(jié)構(gòu)變化分析 56
2.6 基于響應曲面實驗的多參數(shù)定向產(chǎn)酸調(diào)控 57
2.6.1 厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸丙酸比例的調(diào)控 57
2.6.2 厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸奇數(shù)碳VFA比例的優(yōu)化 59
2.6.3 污泥厭氧發(fā)酵液中溶解性蛋白質(zhì)含量 61

第3章　半連續(xù)流定向產(chǎn)酸及合成PHA 研究 63
3.1 半連續(xù)流工藝運行參數(shù)設計 63
3.2 半連續(xù)流工藝定向產(chǎn)酸調(diào)控效果 64
3.2.1 不同工況條件下的產(chǎn)酸能力對比 64
3.2.2 不同工況條件下發(fā)酵產(chǎn)物中VFA組分對比 66
3.3 半連續(xù)流工藝大分子有機物降解規(guī)律 67
3.4 半連續(xù)流工藝微生物群落結(jié)構(gòu)變化規(guī)律 68
3.4.1 奇數(shù)碳VFA型發(fā)酵微生物群落結(jié)構(gòu)變化規(guī)律 68
3.4.2 偶數(shù)碳VFA型發(fā)酵微生物群落結(jié)構(gòu)變化規(guī)律 69
3.5 半連續(xù)流的污泥發(fā)酵液合成PHA研究 71
3.5.1 發(fā)酵液預處理 71
3.5.2 合成PHA過程中底物消耗規(guī)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(yǎng) 78
4.1.3 好氧顆粒污泥模式合成PHA的研究 80
4.2 好氧瞬時補料結(jié)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　基于物理-生態(tài)雙選擇壓力的動態(tài)間歇排水瞬時補料新工藝 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(tài)間歇排水瞬時補料工藝概述 97
5.2.1 ADD工藝運行模式的典型周期 97
5.2.2 反應器穩(wěn)定運行的指示參數(shù) 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(shù) 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 基于混菌擴大培養(yǎng)內(nèi)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(yōu)化 108
5.4.1 底物濃度 108
5.4.2 周期 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(jié)構(gòu)變化規(guī)律 119
5.5 沉降性能篩選作用的指示指標研究 120
5.6 基于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(jié)果與分析 132

第6章　ADD 工藝下活性污泥ANN 參數(shù)優(yōu)化與代謝模型 135
6.1 基于ANN模型的反應器多參數(shù)敏感性分析與優(yōu)化 136
6.1.1 人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型設計 136
6.1.2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型的建立與多參數(shù)敏感性分析 138
6.2 基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型的反應器多參數(shù)敏感性建立分析與優(yōu)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(chǎn)酸液合成PHA概述 154
7.1.2 混合菌群利用餐廚垃圾產(chǎn)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(jīng)網(wǎng)絡對活性污泥利用混合碳源合成PHA的預測 162
7.4 基于GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡的餐廚垃圾合成PHA工藝產(chǎn)量預測 164
7.4.1 GA (遺傳算法) 基本原理 164
7.4.2 遺傳算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(GA-BP) 基本原理 165
7.4.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡樣本選取 166
7.4.4 樣本歸一化與神經(jīng)網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)設計 166
7.4.5 遺傳算法設定與神經(jīng)網(wǎng)絡預測結(jié)果分析 167

第8章　餐廚垃圾產(chǎn)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(tài)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(chǎn)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反應器進行周期取樣 176
8.2.3 PHA合成批次試驗取樣 176
8.2.4 動力學參數(shù)定義與計算 176
8.3 瞬時鹽度沖擊對混菌合成PHA影響及優(yōu)化ADD模式篩選產(chǎn)PHA菌群177
8.3.1 瞬時鹽度沖擊對混菌批次階段合成PHA影響 178
8.3.2 瞬時鹽度沖擊對不同進水負荷馴化菌群合成PHA的影響 178
8.4 優(yōu)化ADD模式進水負荷快速篩選高產(chǎn)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(tài)合成變化 191
8.6.2 不同鹽度下合成階段最大產(chǎn)PHA能力比較 196
8.6.3 不同鹽度下富集菌群耐瞬時鹽濃度沖擊性能比較 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(tài)合成的變化 208
8.8.2 不同鹽度下合成階段最大產(chǎn)PHA能力比較 210
8.8.3 不同鹽度下富集菌群耐瞬時鹽濃度沖擊性能比較 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(jié)構(gòu)比較 215

第9章　實際餐廚垃圾厭氧產(chǎn)酸及合成PHA 研究 222
9.1 實際餐廚垃圾厭氧產(chǎn)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(chǎn)酸發(fā)酵液性質(zhì)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(chǎn)物合成PHA研究 223
9.2.1 不同鹽度對于產(chǎn)酸液碳源利用的影響 224
9.2.2 不同鹽度對于混合菌群菌體生長的影響 224
9.2.3 不同鹽度對于PHA合成的影響 226

參考文獻 228