摘 要

Abstract 6

第一章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 聚羟基脂肪酸酯介绍 1

1.2.2 好氧颗粒污泥简介 5

1.3课题研究目的以及研究内容 9

1.3.1 课题研究目的 9

1.3.2 课题研究技术路线 10

第二章 实验材料与方法 11

2.1 实验材料与设备 11

2.1.1 利用SBR反应器培养污泥 11

2.1.2 实验用水与接种污泥 11

2.1.3 实验试剂 13

2.1.4 实验设备 13

2.2 实验方法 13

2.2.1 实验原理 13

2.2.2 标准曲线的绘制方法 14

2.2.3污泥样品预处理 14

2.2.4进样分析 14

第三章 结果与讨论 15

3.1 PHA测定方法的建立 15

3.2 好氧颗粒污泥形成过程中PHA含量测定 20

第四章 总结与展望 26

4.1 总结 26

4.2 展望 26

参考文献 27

致谢 29

学位论文原创性声明

本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

年 月 日

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作者签名： 年 月 日

导师签名： 年 月 日

摘要

如今的污水处理主要应用两种方法：生物膜法和活性污泥法，其中活性污泥法会产生污泥，须设置污泥浓缩池，处理成本较高。活性污泥里本质上是生物组织的集合体，如果处理得当可以进行再利用。白色污染现如今也越来越严重，但是塑料制品已经深入到生活的方方面面，限塑令的失败引导人们思考新的污染解决方案，可降解塑料成为近期的研究重点，具有安全无毒可降解的特点，缺点是成本较高。本文研究的聚羟基脂肪酸酯（PHA）是一种可降解塑料。很多细菌可以合成PHA作为碳源能源贮存物质，工业上具有类似合成塑料的物理特性，但是多了一般合成塑料所不具备的生物可降解性、生物相容性、光学活性、压电性等等优良性能，在生物制药方面有很大的应用前景，但是成本无法与石油化工塑料竞争，因为纯种活性污泥法培养提取PHA有两方面成本不可避免，第一是底物成本，第二是维持无菌环境。而活性污泥法产生的污泥中就含有PHA,且不需要无菌环境，底物为污水中的有机物。因此研究活性污泥形法合成PHA具有非常重要的意义。本文主要研究的活性污泥为好氧颗粒污泥，好氧污泥颗粒是在好氧条件下形成的细胞自身固定化颗粒，比起传统絮状污泥，颗粒化的污泥具有良好的沉淀性能、较高的生物量和在能高容积负荷条件下降解高浓度废水的优点，菌胶团的底物贮存能力或者说产生PHA的能力使得其在与丝状菌竞争的过程中占优势，防止污泥的丝状膨胀，有利于污泥的颗粒化，因此，从污泥稳定化的角度来看，研究好氧污泥颗粒形成过程中的PHA变化量也是非常有意义的。本文针对好氧颗粒污泥形成中的聚羟基脂肪酸酯含量变化展开研究，采用序批式反应器培养好氧颗粒污泥，在长达两个月的污泥颗粒化过程中分时间取样，对好氧颗粒污泥进行处理后用气相色谱法测定污泥中两种PHA:聚羟基丁酸酯、聚羟基戊酸酯的含量，研究其在形成过程中的含量变化，为污泥的二次利用提供理论指导，研究了两种PHA的比例随着污泥颗粒化进程的变化，探究了产PHB菌与产PHV菌在颗粒化进程中的演变，并且本文探索了利用气相色谱法测量活性污泥中PHA含量的参数优化，为后续实验提供经验。通过本次课题研究，得出结论PHB含量一般在0.5％到3.5％之间波动，PHA在好氧颗粒污泥形成过程中的含量变化有周期变化的趋势。虽然产PHB的微生物一般要多于产PHV微生物，但是在污泥颗粒化之后产PHV菌仍然可能占主导地位。

关键词：聚羟基脂肪酸酯（PHA）;好氧颗粒污泥（AGS）;SBR反应器;气相色谱法

Abstract

Today's sewage treatment mainly uses two kinds of methods: Biofilm method and activated sludge method, in which activated sludge method will produce sludge, set up sludge enrichment tank, improve sewage treatment cost. Activated sludge is essentially a collection of biological tissues that can be recycled if properly handled. White pollution is also more and more serious now, but plastic products have been deep into all aspects of life, the failure of plastic limit to guide people to think about new pollution solutions, degradable Plastics has become the focus of recent research, has a safe non-toxic degradable characteristics, the disadvantage is higher cost. The PHA studied in this paper is a biodegradable plastic. PHA Chinese name is poly hydroxy fatty acid ester, many bacteria can be synthesized as carbon source energy storage material, it has the physical properties of similar synthetic plastics in industry, but there are many good properties such as biodegradability, biocompatibility, optical activity, piezoelectricity, etc., which are not available in general synthetic plastics, have a great application prospect in Bio-pharmacy. , but the cost cannot compete with the petrochemical plastics, the cheapest degradable plastic cost is more than three times times of polypropylene plastic. In the activated sludge process, PHA is included in the sludge, so it is very important to study the changes of PHA production during the formation of activated sludge. Activated sludge fin has unique advantages and is expected to become a more economical and promising pha biosynthesis method. This paper studies the activated sludge as aerobic granular sludge, aerobic sludge granules are immobilized by the cells formed under aerobic conditions, compared with the traditional floc sludge, the granular sludge has good sedimentation performance, high biomass and the advantages of degrading high concentration wastewater under high volume load conditions, The substrate storage capacity of the gel group or the ability to produce PHA makes it dominant in the competition with filamentous bacteria, to prevent the filamentous expansion of sludge, which is beneficial to the granulation of sludge, it is very significant to study the PHA change in the formation of aerobic sludge from the point of view of sludge stabilization. In this paper, the content change of poly-hydroxy fatty acid esters in aerobic granular sludge formation was studied, the aerobic granular sludge was cultured by sequencing batch reactor, and the two kinds of PHA in sludge were determined by gas chromatography in the process of sludge granulation for up to two months, after the treatment of aerobic granular sludge by GC: poly-Hydroxy butyrate, The content of poly (hydroxy amyl propionate), the change of the content in the formation process was studied, which provided the theoretical guidance for two times utilization of the sludge, studied the change of the ratio of two PHA with the sludge granulation process, and inquired into the evolution of the production of poly-hydroxy-butyric acid bacteria and the poly-amyl-valerate in the process of granulation, In this paper, the optimization of the parameters of PHA in the activated sludge by gas chromatography is explored, and the experience is provided for subsequent experiments.

Keywords: Poly-hdroxyalkanoates, aerobic granular sludge,formation process,contant change.

第一章 绪论

1.1研究背景

白色污染是人们对塑料污染的一种称谓。指的是传统石油工业制造的聚乙烯、聚丙烯等等塑料制品在利用之后被弃置，因其难以降解的特性而造成的侵占土体、污染水体、火灾隐患、卫生隐患等等环境问题。而人们对于塑料制品的依赖使得不能靠限制使用塑料制品解决白色污染，要从根源上治理污染还需要寻找可降解的塑料替代品。

聚羟基脂肪酸酯是一种可降解塑料，很多细菌可以合成作为碳源能源贮存物质，工业上具有类似合成塑料的物理特性，但是多了一般合成塑料所不具备的生物可降解性、生物相容性、光学活性、压电性等等优良性能，在生物制药方面有很大的应用前景，缺点是成本过高。最便宜的可降解塑料成本也是传统石油化工产物聚丙烯塑料的三倍以上。因此积极探索合成PHA的新方法成为研究热门。

活性污泥法产生的剩余污泥中含有PHA,因此研究活性污泥形成过程中的PHA产生量变化具有非常重要的意义。自从WALLEN在活性污泥中获取了PHA之后，东京大学的SATOH及其同事率先提出了用污泥累积生产PHA的可能性。活性污泥法因独具的优点，有望成为较为经济、具有良好前景的PHA生物合成方法。

好氧颗粒污泥是活性污泥的一种，表现为污泥呈颗粒状，具有沉降性能好，抗冲击负荷能力强等优良品质。研究好氧颗粒污泥在形成过程中的PHA含量变化会对污泥处理，污水处理工艺的经济性起到积极作用。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 聚羟基脂肪酸酯介绍

聚羟基脂肪酸酯并不是一种物质，而是一类物质，接下来从聚羟基脂肪酸酯包含的种类、现代生产聚羟基脂肪酸酯研究、聚羟基脂肪酸酯应用三个方面来介绍聚羟基脂肪酸酯，下文中提到的聚羟基脂肪酸酯用PHA代替。PHA是很多微生物为了应对恶劣环境（主要是氮、磷以及其他微量元素缺乏），在体内储存的碳源和能源，人类储存糖类和脂肪，微生物则储存PHA，当碳源充足，氮源不足时，微生物会把多余的碳源以PHA的形式储存在体内。PHA是羟基脂肪酸的聚合·物，通式如图1-1。

图1-1 PHA结构通式

图中n为1到4，其中1最为常见，m表示单体数量，一般大于一百，决定了分子量。R为其他基团，可以根据R的不同对PHA进行分类：当R为氢、甲基或者乙基时为短链PHA（short-chain-length,SCL PHA）,这类单体聚合之后一般会形成唯一单体聚合物，也就是所说的均聚物，如聚羟基丁酸酯（PHB）、聚羟基戊酸酯（PHV）等；当侧链为C3-C10时为中长链PHA（medium-chain-length，MCL PHA）,比较常见的是聚羟基辛酸酯（PHO）和聚羟基己酸酯（PHHx）等^[1]。

在微生物中，PHA的存在甚至比糖原与脂肪更为普遍。PHA的物理性质与传统塑料相似（如聚乙烯、聚丙烯）合成底物是糖类、脂肪酸等可再生物质，在自然界很容易降解，不会存在白色污染（一般九个月完全分解，而传统塑料需要一百年）。目前生产PHA的方法有细菌发酵法、基因工程法和活性污泥法性污泥法^[2]。由于前两种方法要求保证没有杂菌的灭菌消毒环境，成本较高限制了PHA推广应用，从活性污泥中提取PHA是一种非常经济而合理的做法。

根据1995年的报道，大约有91种脂肪酸可以作为聚羟基脂肪酸酯的单体，但是绝大多数只会用3羟基脂肪酸作为单体，这中间，还可以按照有一种单体和多种单体分为单体聚合物和共聚物，天然的聚羟基脂肪酸酯大多数都是随机共聚物，但是在人工的干预下，可出现均聚、共聚交替的聚羟基脂肪酸酯，这样得到的产品更加多样，对于特殊的用途更有优势。短链PHA以聚合物伊羟基丁酸(PHB) 3HB和3HV组成的共聚物P（PHBV）为代表，PHA因结构不同，物理性能也呈现出较大区别，纯PHB比较脆，延展性不好，但是混合了其他成分后，其机械性有显著的提高。因此PHA的材料性能随着研究的深入还会有发展的空间。表1-1列出了几种PHA与传统塑料的性能对照表。

表1-1 PHA与传统塑料性能对照表

限制PHA推广与发展的最主要原因是其成本过高，现在市面上最便宜的PHA的价格都是传统聚丙烯的三倍以上，所以人们长时间寻找降低成本的方法，从底物的改变、转化率的提高、发酵过程的能量消耗降低等方面综合进行考虑。对于底物来说，如果直接用羟基丁酸来合成PHA成本太高，如果能够用一条代谢途径以葡萄糖为底物产生PHA就会降低成本，截至目前，几乎所有的常见PHA都实现了可从葡萄糖为唯一碳源来合成^[3]。但是这些途径生产的PHA成本还是较高，而本文所用到的原材料是污水处理中的活性污泥，碳源是生活污水中的有机物，成本较低，随着现在中国的污水厂数目快速增长，活性污泥处理量的提高，活性污泥提取PHA工艺非常具有实践意义。

Lemoigne^[4] 1926年发现并从巨大芽孢杆菌分离并提纯PHB,直到1974年Wallen等人^[5]才从活性污泥里提取出了聚羟基脂肪酸酯。日后合成PHA的细菌种类不断被发现，从第一次的芽孢杆菌中发现PHA到现在发现了上百种细菌利用各种脂肪酸来合成PHA。

PHA单体的侧链有C₃-C₁₀，饱和或不饱和，以及芳香族基团，这就使得PHA的单体种类极为丰富。如果将基因计数应用于合成PHA菌，则会得到更加高产并且符合生产生活需要的PHA合成菌，例如本文所需的活性污泥中的细菌，要求既能产PHA又能处理污水。现如今已经有PHA的工业化生产途径，美国的Monsanto公司和英国的ICI公司已经形成完整的产业链。利用纯种微生物与葡萄糖、丙酸等底物，通过厌氧-好氧或者微氧-好氧等工艺^[6]合成PHA。这种过程产生的PHA质量较好，但是价格昂贵，主要原因有几点：第一生产过程要保持无菌，条件比较苛刻，第二利用的葡萄糖等底物价格昂贵。每公斤目前使用的聚乙烯、聚丙烯塑料大约是7元，上述生产PHA的成本大约是60元^[7]，这样的成本使得生产的PHA难以推广，因此现在只有医疗上生产人造骨或者是血管支架才用到这种塑料。

Majone等人在1996年提出了瞬时好氧合成PHA工艺，图1-2为工艺路线图。

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