制备微生物储存化合物的方法与流程

本发明涉及制备微生物储存化合物的方法，特别是使用积累微生物储存化合物的微生物制备聚羟基链烷酸酯(PHA)的方法。

背景技术：

已知在用于有氧废水处理的污泥中发现的一些微生物能够产生作为储备化合物的微生物储存化合物，诸如例如聚(羟基链烷酸酯)(PHA)。近来，废水处理方法引起了人们的兴趣，其中PHA积累细菌中最大化聚羟基链烷酸酯的积累，以便从这些细菌中回收该聚羟基链烷酸酯，例如用于生物塑料的应用。

用于选择能够产生PHA或其它微生物储存化合物的微生物的方法在本领域是已知的，并且通常包括将所谓盛宴期与所谓的饥饿期进行交替的几个循环，其中在所谓的盛宴期中，用包括易于生物降解的有机化合物(所谓的易于生物降解的化学需氧物或RBCOD)的底物对包括PHA积累细菌的污泥进行喂料；在所谓的饥饿期中，底物被细菌保留。在盛宴期，PHA积累细菌将诸如挥发性脂肪酸类的RBCOD转化为PHA。在饥饿期，积累在细菌中的PHA被用于喂料，从而选择出能够积累PHA或其它细菌储存化合物的那些细菌。

例如，WO00/52189公开了制备聚羟基链烷酸酯的方法，其中在第一步中，通过使微生物交替地经受底物加入期(盛宴期)和底物保留期(饥饿期)而选择出能够积累PHA的微生物。在积累步骤中，通过在第一步中选择的一些微生物中投加底物(优选地为包括脂肪酸的流)以积累PHA。在WO00/52189的方法中，交替的盛宴期和饥饿期的选择步骤在第一反应器中进行，积累步骤在单独的第二反应器中进行。

WO2011/073744还公开了通过交替地使生物质经受盛宴条件和饥饿条件来选择能够产生PHA的微生物(生物质)的方法。在WO2011/073744的方法中，可以在同一反应器中或在单独的不同反应器中依次采用盛宴条件和饥饿条件。从选择过程中排出的污泥(生物质)可以在单独的步骤中进行进一步积累PHA或经历PHA的提取。

WO2012/023114公开了与WO2011073744类似的方法，其用于通过使生物质在序列批次反应器(SBR)系统中经历盛宴-饥饿条件的重复循环，并在盛宴条件下使用特定的易于生物降解的化学需氧物(RBCOD)喂料速率，以增加在废水处理中所用的生物质的PHA积累的潜力。公开于17.07.2014的WO2014/108864中再次描述了包括延长的二次饥饿过程的类似方法。在所有这些方法中，任何积累步骤都在单独的反应器中进行。

WO2013/022874公开了一种以在曝气池中提供饥饿-盛宴方案的方式采用在同样的曝气池中的回流污泥而制备PHA的方法。可以在回流流反应器中处理回流污泥，其中在回流流反应器中采用相对低的食物/生物质比。没有公开或暗示积累过程。

Serafim等人，Appl.Microbiol.Biotechnol.81(2008)615-628和Bengtsson等人，Bioresource Technology 99(2008)509-516公开了在序列批次反应器或连续反应器中使用混合培养物制备PHA的方法，其中可以在单个(选择)反应器中进行盛宴和饥饿循环。然而，积累循环总是在单独的反应器中进行。

技术实现要素：

目前已经发现，选择能够进行PHA制备或其它微生物储存化合物制备的微生物和在所选择的微生物中进一步积累该微生物储存化合物的方法可以通过在相同的反应器中进行选择步骤的所谓盛宴期和在所选择的微生物中积累微生物储存化合物，并在单独的反应器中进行选择步骤所谓的饥饿期来改善。

因此，本发明提供了制备微生物储存化合物的方法，包括以下步骤：

a)将包括了包括RBCOD的有机化合物的废水流提供到含有包括能够积累微生物储存化合物的微生物的活性污泥的第一反应器，以在废水中形成了活性污泥的混合物，并使第一反应器中的污泥在第一时间段(“盛宴期”)期间经受制备(即积累)微生物储存化合物的反应条件(该条件包括溶解氧的存在)，以在处理后的废水中得到包括微生物储存化合物的活性污泥；

b)将包括微生物储存化合物的部分活性污泥从第一反应器转移到第二反应器，并将包括微生物储存化合物的部分活性污泥保留在第一反应器中；

c)将包括了包括RBCOD的有机化合物的废水流提供到包含了包括微生物储存化合物的部分活性污泥的第一反应器中，以在废水中形成包括微生物储存化合物的活性污泥的混合物，并使污泥在第二时间段(“积累期”)期间经受积累微生物储存化合物的条件(该积累条件包括溶解氧的存在)，以得到进一步富含微生物储存化合物的活性污泥和处理后的废水；

d)从第一反应器中排出作为产物流的进一步富含微生物储存化合物的活性污泥；

e)在第三时间段(“饥饿期”)期间，使包含第二反应器中的微生物储存化合物的活性污泥在液体反应介质中经受饥饿反应条件，该条件包括存在溶解氧浓度和降低底物供给，以得到富含能够积累微生物储存化合物的微生物的活性污泥；和

f)将步骤e)中获得的富含能够积累微生物储存化合物的微生物的活性污泥转移至第一反应器，以形成包括能够在步骤a)中积累微生物储存化合物的微生物的活性污泥。

根据本发明方法的优选实施方案的重要优点是，选择步骤的盛宴期和积累步骤可以在连续反应器中进行，其中具有底物的废水被连续地进料到反应器中，并且处理后的废水可以从反应器中连续地排出，而没有连续工艺中的典型缺点，如生物质(污泥)分散的保留时间。通过在积累步骤c)后从第一反应器排出污泥并在饥饿期e)后从第二反应器排出污泥，狭义地限定了分别在步骤a)、c)和e)中的生物质保留时间。因此，该方法结合了序列批次反应器的优点和连续反应器的优点，即不需要在相对短的时间段内输送大体积的液体，从而不需要大型的泵和缓冲容积容量。另一个优点是不需要单独的积累反应器。

附图说明

图1至7示意性地示出了根据本发明方法的实施方案，在连续步骤中的第一和第二反应器以及固体和流体流。图1至7一起示出了该工艺的完整循环。

具体实施方式

根据本发明的方法是用于制备微生物储存化合物的方法。在该方法中，将包括了包括易于生物降解的化学需氧物(RBCOD)的有机化合物的废水流提供到含有包括能够积累所需微生物储存化合物的微生物的活性污泥的第一反应器中。

在本发明的上下文中，应用以下定义：

-“微生物储存化合物”是由诸如细菌、霉菌和藻类的微生物产生的用于储存其剩余能量的化合物。所述化合物包括酯类、聚酯类、甘油三酯类、其它脂肪类和油类、和多糖类(如糖原)。由羟基羧酸类的分子间酯化得到的聚酯类是一类重要的微生物储存化合物，最突出的是聚羟基链烷酯类，特别是聚-β-羟基regime酯类，如下式的聚-β-羟基丁酸酯(PHB)和聚-β-羟基戊酸酯(PHV)以及它们的共聚物，其中n可以在数十至数百或甚至数千的范围内。

[-O-CH(CH₃)-CH₂-CO-]_n，PHB

[-O-CH(C₂H₅)-CH₂-CO-]_n，PHV

聚羟基链烷酯类(或聚氧化链烷酸酯类)通常(并在本文中)是指聚羟基链烷酸酯(PHA)。

-“化学需氧物”(COD)是指可以氧化成较小的分子，并最终转化为二氧化碳和水的有机材料，该术语表示在一升废水中氧化有机材料所需的氧气量。

-“可生物降解的COD”是指废水中可以被吸收用于生物质生长的有机材料。

-“底物”是指用于通过微生物吸收而使它们生长的底物，即等同于可生物降解的COD。

-“易于生物降解的化学需氧物(RBCOD)”是指可以如下进一步所述的可以通过微生物快速吸收的相对小的有机分子。

-“其它可生物降解的化学需氧物(OBCOD)”是指除了RBCOD之外的可生物降解的COD，即更复杂且更不易得到的有机化合物，例如复杂的多糖类、脂肪类和蛋白质类，以及具有相对较少含氧基团和相对大的烃基基团的有机化合物，如长链脂肪酸类。

-“废水”是指包括COD的被再利用或排放到环境之前需要进行处理的水流。术语废水例如包括来自生物基或其它工业的工艺用水、副产物或中间产物流，包括糖汁或液体、城市废水、农业废水和固体可生物降解废物(例如城市固体废物和农业固体残渣)的浸出水。

如上定义，RBCOD是指可以被吸收用于微生物生长并且可以被快速吸收并转化为储存化合物(通常不需要进行水解)的相对简单的有机分子。此类RBCOD的实例包括挥发性脂肪酸类(也被称为短链脂肪酸类，即具有多达6个碳原子，例如甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、异丁酸、戊酸、异戊酸和己酸)、羟基酸类(如乳酸)、碳水化合物(如单糖类和二糖类)、糖醛酸类、醇类、酮类、醛类，优选具有多达六个碳原子的醇类、酮类、醛类以及它们中两种以上的组合。换言之，RBCOD包括每分子具有多达6个碳原子、每个分子具有至少一个羟基(C-OH)的或酮(C＝O)的氧原子和每四个碳原子至少一个氧原子、优选仅具有碳、氢和氧原子的有机化合物以及二糖类。RBCOD的浓度可以通过标准化的呼吸计量法确定，当在受控条件下向具有特定量生物质的废水的等分量中脉冲进料底物时，该标准化的呼吸计量法确定出快速利用的废水COD的分数。在M.Henze等人，Activated Sludge Models ASM1，ASM2，ASM2d and ASM3，IWA出版，伦敦，2000，第16-17页；ISBN 1900222248中公开了合适的呼吸计量法的标准化方法的实例。

在步骤a)中废水流可以间歇地或连续地供应至第一反应器。废水流可以是任何包括RBCOD的废水流。此类废水流的实例包括城市、工业或农业废水或固体可生物降解废物的浸出水。流可以是城市、工业或农业废水或工艺流或残余流本身，或者可以是经过预处理(例如已经进行了预水解以将所谓的OBCOD转化为RBCOD，和/或已经进行了预酸化或发酵以将糖类或其它化合物转化为羧酸类，优选选为挥发性脂肪酸类或乳酸)的城市、工业或农业废水。因此，本发明的方法可以包括前述步骤，其中原料废水在单独的反应器中(例如厌氧的生成反应器)进行水解和/或发酵，在厌氧的生成反应器中实现部分发酵(水解、酸化、乙酸化)。

在步骤a)中供应至第一反应器的废水流可以进一步包括OBCOD。优选地，废水流包括的RBCOD多于OBCOD。优选地，废水流包括0.5至50克/升范围的、更优选地在1至20克/升范围内的RBCOD。废水流优选地包括挥发性脂肪酸类，更优选地包括0.5至50克/升范围内的挥发性脂肪酸类，甚至更优选地在1至20克/升的范围内的挥发性脂肪酸类。

活性污泥包括能够产生所需微生物储存化合物的微生物。优选地，微生物储存化合物是PHA，该方法是制备PHA的方法。在这种情况下，活性污泥包括PHA积累微生物，优选PHA积累细菌。当该方法在稳定状态下操作，活性污泥是进一步富含在饥饿步骤e)中得到的积累微生物的活性污泥，并将该活性污泥转移到步骤f)中的第一反应器中。在该方法开始时，第一反应器可以用活性污泥或其它包括该积累微生物的样品或能够积累所需微生物储存化合物、特别是PHA的微生物的菌株进行培植(inoculate)。在供应到第一反应器的废水流包括能够积累所需微生物储存化合物的微生物的情况下，可以不用污泥或该微生物培植第一反应器而开始该过程。

PHA积累细菌和其它能够积累微生物储存化合物的微生物通常存在于例如在土壤、天然水或混合的生物质样品中发现的微生物的非纯菌(non-axenic)培养物中。它们还可以在常见的城市废水处理厂中分离或富集。PHA积累细菌可以属于各种属，如产碱杆菌属(例如广泛产碱菌)、罗尔斯通氏菌属(例如富养罗尔斯通氏菌)、贪铜菌属(例如钩虫贪铜菌)、着色菌属(例如酒色着色菌)、分枝杆菌、芽孢杆菌、假单胞菌等。它们可以特异性或非特异性地在各种碳源如葡萄糖、甲醇、乙醇、乙酸酯和/或其它脂肪酸类上生长。参见例如Tan G-Y.A等人，Polymers 2014，6，706-754；Huang Y-T.等人，J.Microbiol.Biotechnol.2012，22，1141-47。特别有用的是Plasticicumulans属的细菌，例如P.acidivorans(消耗乙酸)和P.lacatativorans(消耗乳酸)，参见Tamis J.等人，J.Biotechnology 2014，192，161-169。

通过在步骤a)中将废水供应到第一反应器，在第一反应器中形成废水中活性污泥的混合物，然后在第一时间段期间使混合物经受积累微生物储备化合物的反应条件，特别是积累PHA的反应条件，以在处理后的废水中获得包括微生物储存化合物的活性污泥。该时间段适用于在间歇操作情况下的混合物。如果间歇地或连续地添加废水(因此处理过的废水被间歇地或连续地排出)，则该时间段适用于不与(连续)排出的处理后的废水一起排出的污泥的保留时间，或适用于在(半)连续污泥交换的情况下的平均保留时间。

产生微生物储备化合物的反应条件，特别是产生PHA的反应条件是所谓的盛宴条件，并且包括以RBCOD形式的底物的存在和溶解氧的存在。在本文中提及的溶解氧，除非另有说明，是指溶解的分子氧。为了具有溶解的氧，优选地将包括分子氧的气体，更优选空气，供应到第一反应器。在步骤a)期间中，这可以连续地或不连续地，优选连续地进行。

RBCOD和溶解氧的量使得它们不限制于微生物储存化合物的生产。应当理解的是，RBCOD和溶解氧的最低浓度将取决于在反应器中能够积累微生物储存化合物的微生物的量、待生产的微生物储存化合物和反应器中的其它工艺条件，如混合物的温度和pH。优选地，溶解氧浓度将为至少0.32mg，更优选地至少0.5mg O₂/升。RBCOD的浓度优选为至少10mg/L。

在微生物储存化合物是PHA并且该方法是制备PHA的方法的情况下，步骤a)中积累PHA的反应条件优选地包括pH在4至10、更优选6至8的范围内，温度在10至50℃、更优选20至40℃的范围内，电导率在0至20mS/cm的范围内。

在盛宴步骤a)中，能够积累微生物储存化合物的微生物通过将RBCOD转化为微生物储存化合物来产生微生物储存化合物。由此形成的微生物储存化合物通常以颗粒状储存在微生物中。因此，在处理后的废水中形成了包括微生物储存化合物的活性污泥。在第一时间段期间保持步骤a)中积累微生物储存化合物的反应条件。第一时间段可以是预定的时间段，优选地预定的时间段在0.25至5小时范围内，更优选在0.5至2小时范围内。可替代地，在达到RBCOD的某一最低浓度(在废水与其底物的批量供应的情况下)时，当产生一定量的微生物储存化合物时，或当氧消耗减少时，第一时间段结束。可替代地，可以通过调节废水流的供应来保持步骤a)期间第一反应器中混合物中的RBCOD浓度恒定。然后，当废水供应的流速下降到一定值以下时，可以结束第一时间段。

在微生物储存化合物是PHA的情况下，第一时间段优选地在步骤a)的结束时，使得基于污泥的干重，活性污泥中的PHA积累细菌中积累至少30重量％的PHA，例如30至50重量％，或甚至至少50％的PHA，多达例如80重量％的PHA。优选地，无论是否预先确定，第一时间段在0.25至5小时的范围内，更优选地在0.25至2小时的范围内，或甚至为0.5至2小时。在盛宴期将废水半连续或连续地进料至第一反应器的情况下，该时间段是指污泥而不是废水的(平均)保留时间。

在第一时间段之后，即在盛宴期之后，将包括微生物储存化合物的部分活性污泥从第一反应器转移到第二反应器，并且将包括微生物储存化合物的部分活性污泥保留在第一反应器中(步骤b))。这可以通过在步骤a)结束时，将包含在第一反应器中的活性污泥和处理后的废水的部分混合物转移到第二反应器来完成。优选地，在步骤a)结束时，包含在第一反应器中的混合物在转移到第二反应器之前先被浓缩成了固体，即包括微生物储存化合物的活性污泥。固体的浓缩优选为2倍以上，更优选为4倍以上。这种浓缩可以通过本领域已知的方法进行，例如通过在第一反应器内部或外部沉降污泥，或通过第一反应器内部或外部的固-液分离器来进行。合适的固-液分离器是本领域已知的，并且包括沉降器、水力旋流器、离心机、膜和带过滤器。优选地，该浓缩在第一反应器内部的沉降器中进行，更优选通过沉降的方式进行。该沉降可以通过在步骤a)结束时停止向第一反应器供应废水和空气来实现。

在将该污泥转移到第二反应器之前将活性污泥进行浓缩的优点是可以使用更小的第二反应器。由于在步骤e)中，在第二反应器中进行的饥饿期可以在以比步骤a)的第一反应器内更高的固(污泥)/液比下操作，因此有利的是选择性地将污泥转移到第二反应器。将较少的液相从第一反应器转移到第二反应器的另一个优点是，较少的OBCOD被转移到第二反应器从而使不需要的侧群(side population)(即不需要的OBCOD氧化生物质)的生长最小化。此外，由于期望的积累储存化合物的生物质比不期望的生物质重，在将此污泥转移到第二反应器之前，可以有利地进行活性污泥的浓缩，使得在待转移的污泥中将不期望的生物质与期望的积累微生物分离。

优选地，将部分处理后的废水，通常与污泥和处理后的废水的(浓缩)混合物，从第一反应器转移到第二反应器，以在饥饿步骤e)中作为液体反应介质。可替代地，首先可以在内部或外部分离器中将处理后的废水与固体污泥分离，然后将分离的处理后的部分废水转移至第二反应器，以作为饥饿步骤e)中的液体反应介质。在一些情况下，例如在废水流具有相对高的盐浓度且优选在较低的盐浓度下操作第二反应器(步骤e))中的饥饿期的情况下，不将或只将最低量的处理后的废水转移至第二反应器，并且将新鲜的水性液体供应到第二反应器中，以在饥饿步骤e)中用作液体反应介质。

将包含微生物储存化合物的部分活性污泥保留在第一反应器中。优选地，在步骤a)之后，将至少30重量％的污泥保留在第一反应器中，更优选在40至60重量％的范围内。将优选至少30重量％至高达70重量％、更优选40-60重量％的剩余物转移至第二反应器。

优选地，在步骤a)之后和步骤b)期间，大量处理后的废水被保留在第一反应器中，使得在积累步骤c)开始时不需要大缓冲体积的液体来填充第一反应器。

在步骤c)中，将包括了包括RBCOD的有机化合物的废水流供应到第一反应器，其中保留包括微生物储存化合物的部分活性污泥，以在废水中形成该活性污泥的混合物。然后在第二时间段(积累期)期间使该混合物经受微生物储存化合物的积累条件。在这些条件下，污泥中积累的微生物将RBCOD转化成微生物储存化合物，从而进一步积累微生物储存化合物。因而得到了进一步富含微生物储存化合物的活性污泥。再次，在(半)连续模式中，即如果间歇地或连续地添加废水，则该时间段不适用于混合物本身，但是适用于污泥，其中污泥不与(连续)排放的处理后的废水一起排放；这意味着该时间段是指污泥的(平均)保留时间。

积累条件包括RBCOD的存在和溶解氧的存在。在积累步骤c)中，在第一反应器中的混合物中RBCOD和溶解氧的量使得它们不会限制微生物储存化合物的积累。应当理解的是，RBCOD和溶解氧的最低浓度取决于反应器中存在的积累微生物的量、待制备的微生物存储化合物和反应器中的其它工艺条件，如混合物的温度和pH。优选地，溶解氧浓度将为至少0.5mg O₂/升。RBCOD的浓度优选为至少10mg/L。在微生物储存化合物是PHA并且该方法是制备PHA的方法的情况下，步骤c)中积累PHA的反应条件优选地包括pH在4至10、更优选6至8的范围内，温度在10至50℃、更优选20至40℃的范围内，电导率在0至20mS/cm的范围内。

积累条件优选与步骤a)中积累微生物储存化合物的反应条件相同。为了使在盛宴(步骤a)和积累(步骤c)期间生长最小化，进料到第一反应器的废水优选地限于一种以上营养物，例如限于氮(可生物降解的COD与N的重量比大于300:1)或限于磷(可生物降解的COD与P的重量比大于1500:1)。

优选地，在积累步骤c)中供应到第一反应器的废水流和步骤a)中供应到第一反应器的废水流是相同的。在优选的实施方案中，在步骤a)之后暂时停止向第一反应器连续供应分子氧和废水，以使得包括微生物储存化合物的活性污泥在第一反应器中沉降。然后通常与一些处理后的废水一起，将沉积的部分污泥转移到步骤b)中的第二反应器中。然后恢复向第一反应器提供分子氧和废水，以开始积累步骤c)。在向第一反应器连续供应废水和分子氧的该实施方案中，在步骤a)和c)的运行时间期间，可以改变氧和废水供应流速。

在第二时间段期间进行步骤c)。第二时间段可以是预定的时间段，优选地是在2至24小时范围内的预定时间段，更优选在4至24小时或甚至4至12小时的范围内的预定时间段。可替代地，在RBCOD达到某一最低浓度(在废水与其底物的批量供应的情况下)，当产生一定量的微生物储存化合物时，或当氧消耗减少时，第二时间段结束。可替代地，可以通过控制废水流的供应来保持步骤c)期间第一反应器中的混合物中的RBCOD浓度恒定。然后，当废水供应的流速下降到一定值以下时，第二时间段结束。第二时间段，即积累期的长度，优选地长于第一时间段，即盛宴期。特别地，第二时间段至少是第一时间段的两倍、直至高达例如24倍，更具体地，在第一时间段的4倍和20倍之间。

在微生物储存化合物是PHA的情况下，第二时间段优选地在步骤c)结束时，使得基于污泥的干重，活性污泥中的PHA积累细菌积累至少60重量％的PHA，更优选地至少70重量％，甚至更优选地至少80重量％的PHA，直至高达例如90重量％的PHA。

在步骤a)和/或c)期间中，可以将处理后的废水从第一反应器中连续排出，或在步骤a)结束时或在步骤b)期间间歇地排出。如果处理后的废水在步骤a)和/或c)期间从第一反应器连续排出，则第一反应器优选包括用于从处理后的废水中分离任何污泥的沉降器，使得污泥保留在第一反应器中。这种沉降器可以位于反应器内部，优选在反应器的上部并恰好位于在处理后的废水的出口之前，或者位于反应器外部，将分离的污泥再循环到第一反应器。应当理解的是，用于防止污泥与连续排出的处理后的废水一起从第一反应器中排出的沉降器与可能用于浓缩步骤b)中待转移到第二反应器的活性污泥的沉降器不同。

在积累步骤c)结束时，即在第二时间段之后，将进一步富含微生物储存化合物的活性污泥作为步骤d)中的产物流从第一反应器中排出。在一个以上用于例如生物塑料应用的进一步步骤中，可以从该产物流中回收微生物储存化合物。这些步骤在本领域中是公知的，并且通常包括破坏微生物细胞以得到微生物储存化合物和进一步的纯化步骤。

在步骤e)中，在第三阶段期间，使包括第二反应器中的微生物储存化合物的活性污泥在液体反应介质中(通常在来自第一反应器的处理后的废水的液体反应介质中)经受所谓的饥饿条件，以得到富含能够积累微生物储存化合物的微生物的活性污泥。该饥饿条件包括溶解氧的存在和没有底物供应，即不添加BCOD，或底物以比盛宴期的步骤a)期间的平均水平低的平均水平存在，以以这样水平的底物的存在，在步骤e)期间，RBCOD的供应基本上低于微生物的摄取速率。因此，步骤e)涉及了RBCOD的耗尽，意味着通过积累储存化合物(如PHA)的微生物将RBCOD浓度反应掉，在该阶段，微生物开始使用储存化合物用于生长。特别地，底物的供应基本上为零。不期望的微生物可以在饥饿期通过消耗存在的OBCOD而生长。这就是为什么应当优选地如上所述最小化OBCOD的供应。

该饥饿条件是本领域公知的，并且可以应用本领域已知的任何合适的饥饿条件。在饥饿步骤e)中，液体反应介质中可生物降解的COD(RBCOD和OBCOD)的浓度优选地为在盛宴步骤a)中可生物降解的COD的浓度的低于0.1倍、更优选为低于0.02倍；即在饥饿步骤e)早期达到该较低水平。特别地，步骤e)的液体反应介质中单独RBCOD的浓度优选地达到盛宴步骤a)中RBCOD浓度的低于0.1倍、更优选低于0.02倍。溶解氧的浓度优选地使得其不限制能够积累微生物储存化合物的微生物的生长。优选地，步骤e)中第二反应器中的溶解氧浓度为至少0.32mg、更优选至少0.5mg/升液体反应介质。

由于步骤e)是所需微生物生长的步骤，因此在液体反应介质中存在这种生长所必需的营养物是很重要的。在必需营养物的浓度限制从第一反应器转移到第二反应器的处理后的废水中的这种微生物的生长的情况下，优选恰好在步骤e)之前或在步骤e)期间将这些营养物加入到第二反应器中。可以添加的营养物包括P源(如磷酸盐)、N源(如氨、铵、尿素或硝酸盐)其它大量元素或微量元素或它们的组合。

在步骤e)之后，将富含能够积累微生物储存化合物的微生物的活性污泥从第二反应器中排出并转移到第一反应器中，以形成包括能够在步骤a)中积累微生物储存化合物的微生物的活性污泥。

第三时间段优选是预定的时间段，更优选地预定的时间段在2至24小时的范围内、更优选4至24小时、甚至更优选4至12小时的范围内。这特别适用于第二反应器中污泥的保留时间或在(半)连续污泥交换的情况下的平均保留时间。

在本发明的优选实施方案中，积累步骤c)和饥饿步骤e)同时进行，并优选具有相当的长度，即第二和第三反应时间大约相同。因此，第三时间段优选地是第一时间段的至少两倍、直至高达例如24倍，更具体地，在第一时间段的4倍和20倍之间。在期望第三时间段(饥饿期)基本上长于第二时间段(积累步骤)的情况下，优选采用多于一个第二反应器、优选采用两个第二反应器来操作根据本发明的该过程。在采用两个第二反应器的情况下，将已经在饥饿期(步骤e)(其采用该方法中前一循环的盛宴期(步骤a))中得到的活性污泥)中富集所需的积累微生物的活性污泥随后转移至步骤f)的第一反应器中。以这种方式，在每个第二反应器中的停留时间可以长达第二时间段的两倍加上第一时间段的一倍。因此，在饥饿期中的停留时间是随后在积累步骤中的停留时间的约两倍，并且可以高达第一时间段(盛宴期)的长度的40倍。

在积累步骤c)结束时，将活性污泥作为产物流从第一反应器中排出(步骤d)。优选地，在步骤d)中将几乎所有的活性污泥从第一反应器中排出。优选地，选择性地将活性污泥从第一反应器中排出，即在反应器中保留大部分液相。选择性排出污泥的优点是需要更少的泵和缓冲液。该选择性排出可以通过本领域已知的方法进行，例如通过首先在排出沉降的污泥之前使得污泥在第一反应器中沉降。可替代地，可以在第一反应器内部或外部使用合适的固/液分离器，例如沉降器、离心机、水力旋流器、过滤器或膜。如果固/液分离在第一反应器外部进行，则优选在循环回路中进行，并且将大部分分离的液体循环到第一反应器。

通过协调第一反应器中的积累步骤的停留时间和第二反应器中的饥饿期，最佳使用第一和第二反应器。此外，通过在与盛宴和积累步骤不同的反应器中进行饥饿步骤，可以优化反应器尺寸，因为对于盛宴期和积累步骤，氧气和底物供应方面的要求是可比的，而对于饥饿期却不同。因此，避免了通常在现有技术方法的情况中反应器的过大尺寸，在现有技术方法中盛宴期和饥饿期在一个反应器中进行。

通过在这些步骤期间向第一反应器或第二反应器提供分子氧或另一种包括氧的氧化剂来维持在第一反应器中步骤a)和c)和第二反应器中步骤e)的所需溶解氧浓度，优选通过向相关反应器中连续进料空气流。

第二反应器的体积通常小于第一反应器的体积。优选地，第二反应器的体积为第一反应器的体积的5％至最多50％，更优选为第一反应器的体积的10％至20％。这主要是由于在步骤e)(饥饿期)中的事实，可以使用比在第一反应器中的步骤a)和c)更高的污泥与液体反应介质比。优选地，在步骤e)中污泥与液体反应介质比是步骤a)和c)中的2至10倍的范围，更优选地5至8倍的范围。

在本发明方法的优选实施方案中，步骤a)和c)中进料废水是间歇式或连续地进行，并且步骤b)、d)和f)中转移污泥是间歇式进行，即如上文进一步解释，分别在第一、第二和第三时间段完成之后进行。在本发明的另一个实施方案中，步骤b)、d)和f)中一个以上，优选至少步骤b)和f)是连续或半连续(间歇地)(即分别在步骤a)，c)和e)过程中)进行。在这样的完全连续模式中，使各种污泥分别经历盛宴、积累和饥饿条件的第一、第二和第三时间段适用于第一反应器和第二反应器中的平均污泥保留时间；(这些时间是在污泥返回到第二反应器(步骤a))之前和在产物污泥从第一反应器(步骤c))排出之前和在生长的污泥被返回到第一反应器(步骤e))之前的时间。

附图具体说明

图1至7示意性地示出了根据本发明的方法的实施方案的不同的连续步骤。图1至7一起示出了该过程的完整循环。

附图中的等同附图标记具有相同的含义。虚线表示没有流体流过的导管，法线表示在该方法所描述的步骤中流体流过的导管。

图1表示根据本发明的方法的所谓盛宴期(步骤a))。在图1中示出了第一反应器1和第二反应器2。利用导管3将包括挥发性脂肪酸类的废水流连续地供应到第一反应器1中，并且利用导管4将空气连续地供应到第一反应器1中。第一反应器1含有包括分散在(处理后的)废水中的PHA积累细菌的活性污泥的混合物5。反应器在所谓的盛宴条件(产生PHA的反应条件)下操作。在这些条件下，挥发性脂肪酸类通过活性污泥中的PHA积累细菌转化为PHA。因此，获得包括PHA的活性污泥。处理后的废水通过导管6从反应器1连续排出。沉降器7从处理后的废水中分离污泥，于是污泥被保留在第一反应器1中。

图2示出了该方法中的后续沉降步骤。分别通过导管3和4中断废水和空气的供应，使得包括PHA的活性污泥进行沉降，并形成了浓缩的包括PHA的活性污泥的层8。在层8上方，存在着分散于处理后的废水中的包括PHA的活性污泥的更稀释的混合物11。

图3示出了该方法的后续步骤b)，其中将浓缩的包括PHA的活性污泥通过导管9转移到第二反应器2(将大约一半的层8转移到第二反应器2)。第二反应器2现在含有处理后的废水中包括PHA的活性污泥的浓缩混合物12。

图4示出了第一反应器1的后续积累步骤c)和第二反应器2中的饥饿步骤e)。步骤c)和e)同时进行。经由导管3和4再次向第一反应器1供应废水和空气，并且使处理后的废水通过管线6从反应器1连续排出。步骤c)期间的条件基本上与步骤a)中的相同。在步骤c)期间，PHA进一步积累在PHA积累细菌中，并且得到进一步富集分散于处理后的废水中的PHA的活性淤泥的混合物13。

在同步步骤e)中，空气经由导管14供应到第二反应器2。不向第二反应器2提供底物。在这些所谓的饥饿条件下，即在底物浓度有限的条件下，在步骤a)中已经生产并储存PHA的细菌选择性地生长，并获得进一步富含PHA积累细菌的活性污泥15。

图5示出了该方法中的后续沉降步骤。分别通过导管3和4中断废水和空气的供应，使进一步富含在第一反应器1中的PHA的活性污泥沉降，并形成进一步富含PHA的浓缩污泥的层16。

图6示出了后续步骤d)，其中进一步富含PHA的浓缩污泥通过导管17从第一反应器1中作为产物流排出。

图7示出了后续步骤f)，其中进一步富含PHA积累细菌的活性污泥通过导管18从第二反应器2转移到第一反应器1，以形成包括用于后续步骤a)(即该过程的后续循环的第一步)的PHA积累细菌的活性污泥。通过重复如图1至7所示的方法的循环，达到了PHA积累细菌的选择压力。

示例

将废水中存在的RBCOD转化为具有高PHA含量的生物质然后可以进一步纯化，这需要两个步骤：

首先，需要用有效的选择方法以便于制备具有所需量的生物质与尽可能高含量的所需PHA积累细菌。这通常用盛宴-饥饿方法进行，其中细菌在短时间内将RBCOD转化为PHA，并且在较长时间内通过将PHA转化为生物质而生长。饥饿时间通常是盛宴时间的超过10倍。

其次，该生物质需要与大量的含有RBCOD的废水接触，以便使细胞中的PHA含量最大化(积累步骤)。

为了制备含有约85重量％PHA的生物质，在积累步骤中，将约20％的含有RBCOD的废水用于生物质制备，约80％用于PHA制备。

现有技术将选择和积累视为独立的不同步骤。本发明示出了将选择和积累组合的整体系统的优点。

示例(比较例)

该示例示出，假设对于所有反应器转移的氧最高为1kg/m³h，与组合的盛宴/积累反应器和单独的饥饿反应器相比，使用单独的选择(盛宴-饥饿)序列批次反应器(SBR)和单独的积累反应器来估算生物反应器的尺寸。在盛宴和积累期中，发现约0.3kg O₂/kg乙酸酯的氧需求转化为了PHA。在饥饿期中所需氧的绝对量与盛宴期相当，但由于饥饿时间是盛宴期时间超过10倍，因此如SBR所设置的情况下所需的氧传递速率是在盛宴期和饥饿期使用相同反应器体积的情况下低于1/10倍。因此，在盛宴期中所需的氧传递速率决定了在氧传递受限的情况下的反应器体积。这通常是在增加RBCOD浓度时的情况。

可用总废水：

RBCOD浓度：4g/l(kg/m³)乙酸酯

平均时间的废水流量：100m³/h

在一个(盛宴-饥饿)序列批次反应器中的选择：

用于选择的平均时间的废水流量：20m³/h

平均时间的乙酸酯负荷：20×4＝80kg/h

盛宴+饥饿周期：12小时，其中盛宴时间：40分钟(0.667h)且饥饿时间：11h 20m(11.333h)

仅在盛宴期期间摄取的乙酸酯：8012h/0.667h＝1440kg/h乙酸酯。

盛宴期的氧需求＝1440×0.3＝432kg/h O₂。

基于最高1kg/m³.h和平均1kg/m³.h O₂转移速率的反应器体积＝432kg/h:1kg/m³.h＝432m³。

积累反应器：

用于积累的平均时间的废水：80m³/h。

平均时间的乙酸酯负荷：80×4＝320kg/h乙酸酯。

在积累反应器中的平均时间的氧需求＝320×0.3＝96kg/h O₂。

基于最大1kg/m³.h和平均0.5kg/m³.h O₂转移速率的体积＝96/0.5＝192m³。→所需总反应器的容量：432+192＝624m³

这种设置的主要缺点：

-在选择反应器中，盛宴期期间的时间中仅使用了约5至10％的可用氧传输容量。对于其余时间，超过90％的氧化容量都没有使用。

-为了除去OBCOD而在盛宴之后进行沉降的情况下，反应器将空出超出一半运行超过90％的时间。除了效率较低之外，也出现了用于选择曝气装置的技术问题。

-在选择的每一个循环中，在循环的开始和结束时，需要储存12h×20m³/h＝240m³的水并在短时间内泵送。

实施例(发明)

根据本发明发现，通过也在积累过程中使用相同体积的第一反应器并使用较小的饥饿反应器替代单独的积累反应器就可以克服这些问题。

组合的盛宴和积累反应器：

用于选择的平均时间的废水：100m³/h

平均时间的乙酸酯负荷：100×4＝400kg/h

平均时间的氧需求＝400×0.3＝120kg/h O₂

基于最高1kg/m³.h和平均0.277kg/m³.h O₂转移速率的体积＝120/0.277＝433m³。

饥饿反应器

单独的饥饿反应器可以是第一反应器的1/10倍，这是由于其较低的氧需求以及由于在盛宴期之后的污泥稠化引起的液压流速最小化造成的：45m³。

→所需总反应器的容量：436+45＝481m³

除了降低总反应器体积和更有效地利用所安装的曝气容量和能量之外，还需要较低的液压废水缓冲容量，因为在短时间内从第二反应器泵送到第一反应器水的总量小于每个循环45m³。