提高在混合培养生物质中的多羟基烷酸酯积聚的能力的生物废水处理方法
【专利说明】提高在混合培养生物质中的多羟基烷酸酯积聚的能力的生物废水处理方法
[0001]背景
用于除去化学需氧量(COD)的生物处理废水产生生物质。今天，废弃的剩余生物质代表一种固体废物处置问题。已引起极大的关注一个机会是由生物质(例如活性污泥处理的废水中的生物质)产生生物可降解的聚合物。这样，产生的活性污泥的至少部分变为可从生物废水处理过程收获的有价值的副产物。可使收获的生物质积聚显著水平的生物聚合物，并且现在富含生物聚合物的生物质不再是一个处置问题，而且相反，是生物塑料和/或精细化工的价值链中的原材料来源。以这种方式，污泥处置问题可能会转变成一种可再生资源机会。
[0002]已知在过程水和废水的生物处理中产生的生物质可积聚多羟基烷酸酯(PHA)类型中的生物聚合物，所述多羟基烷酸酯为一组由许多天然存在的细菌种类产生的、作为中间碳和能源库的聚酯。PHA是可从生物质回收并转化为有商业价值的生物可降解的塑胶(其可用于广泛范围的实际应用)的生物聚合物(见例如，US 2010/0200498、TO2011/070544A2、W0 2011/073744AU WO 2012/022998AU WO 2012/023114A1)。
[0003]从学术和知识产权出版物的机构(见例如Salehizadeh和Loosdrecht,B1technology Advances 22 (2004) 261-279)，已知一种用于提高生物质积聚PHA的潜力同时处理废水的方法涉及所谓的盛宴和饥饿(feast and famine)策略。盛宴和饥饿意味着进行生物处理，以使生物质暴露于可获得的和几乎不可获得的、呈易生物降解的COD(RBCOD)形式的底物的交互环境中。RBCOD可例如包括挥发性脂肪酸例如乙酸。I克质量的乙酸相当于1.067克作为化学需氧量或COD的乙酸。
[0004]在盛宴期间，在突然可获得的RBCOD的条件下，RBCOD在暴露于饥饿环境后即被生物质吸收。在盛宴期间，至少一些RBCOD转化为PHA。在具有低RBCOD可用性的饥饿条件下，在盛宴期间贮存至少一些PHA的生物质中的菌群可使用这种内部贮存的PHA作为在饥饿期间为了生长和生存的能量和碳的来源。因此，盛宴和饥饿环境的交替趋向于选择在生物质中具有贮藏PHA能力的菌群的存活。
[0005]与在常规生物废水处理系统的生物质中发现的典型的最小背景水平相比，通过应用盛宴和饥饿条件，生物质的PHA积聚潜力(PAP)可以是富集的。活性污泥的典型最小背景PAP是贮藏PHA至少于约20 % g-PHA/g-VSS的水平的能力。富集的PAP可被认为是约30%或以上，和优选地多于50% g-PHA/g-VSS的积聚潜力。高的PAP使得PHA的积聚过程和随后的回收更有效，并由此改善生产作为由生物处理的水质管理设施的副产物的PHA的整个过程的经济性。
[0006]从水质管理设施生产PHA可以是涉及生物处理单元过程的整体生物精制概念的一部分，包括但不限于:
1.任选的预处理例如产酸发酵，以将有机物质转化为RBCOD发酵产物，例如挥发性脂肪酸(VFA)。
[0007]2.从水中除去有机污染物并生产具有明显积聚PHA或富集的PAP的潜力的生物质。
[0008]3.通过使用来自用于生物质生产的相同来源的RBC0D，或者通过使用其它可获得的RBCOD来源，控制收获的生物质中PHA的积聚，表达来自2的剩余生物质的PAP。
[0009]4.从在3中生产的富含PHA的生物质回收和纯化PHA。
[0010]PAP的典型的盛宴和饥饿选择集中在盛宴和饥饿的循环方案的时间中维持稳定的条件。这就是说，将生物质暴露于重复周期的盛宴和饥饿中，其中总盛宴-饥饿循环时间是大致恒定的，并且其中饥饿部分一般意思是大于3/4的这种循环时间。虽然盛宴和饥饿选择已经反复地显示富集在开放的混合培养物中生产的生物质的PAP，但结果还提示，包含生物质的微生物群落可以使自身适应盛宴-饥饿的方案。通过适应，微生物群落可不太可能在PHA积聚过程期间立即达到其全部PAP的潜力。
[0011]发明概述
本发明涉及一种生物处理含有生物质的废水和在处理废水的过程中提高通过生物质表达的PHA积聚潜力的方法。可使用各种生物方法。例如，可使用生物质以除去B0D、氮、磷和在市政废水和其它类型的废水或过程水流中通常发现的广泛范围的污染物。为了提高生物质的PHA积聚潜力，采用初次盛宴-饥饿(选择)过程。初次盛宴-饥饿过程使生物质经受重复周期的盛宴和饥饿条件。这些条件被称为初次盛宴条件和初次饥饿条件。盛宴和饥饿条件的重复周期数可以变化。在一个实施方案中，将生物质暴露于至少两个重复周期的交互的盛宴和饥饿条件。
[0012]除了将生物质暴露于许多交互的盛宴和饥饿周期外，本文描述的过程还涉及引入一次或多次自循环初次盛宴-饥饿方案的受控制的偏离。偏离过程被称为二次饥饿过程或简单地为二次扰动(perturbat1n)。在二次饥饿过程中，生物质或其部分经受饥饿条件一段显著大于平均初次饥饿期的时间。在一个实施方案中，二次饥饿期长于在前的初次饥饿期的平均值，但少于在过程中的生物质的固体保持时间。二次饥饿过程可周期地启动。如本文所用的，“周期地”意指有时并且在多次初次盛宴-饥饿周期后。即是说，二次饥饿过程不需要基于固定的时间间隔启动。事实上，连续二次饥饿过程之间的时间间隔可以变化。在一些实施方案中，每4次污泥保持时间(SRT)至少一次发生二次扰动。
[0013]本公开内容还涉及用于提高生物质的PAP的过程或方法，这样的提高超过和高于可从使生物质经受固定的盛宴和饥饿条件的循环方案所期望的。生物质的PAP可受两个因素的影响。较高的PAP由富含较高部分的菌群的生物质所证实，所述菌群具有将RBCOD转化为细胞内贮存的PHA的代谢能力。较高的PAP也可由于生物质在积聚过程的时间的生理状态所致。盛宴和饥饿方案选择储存PHA的菌群在生物质中的优选的存活。推测盛宴和饥饿的特定条件，基于时间和有机负荷，还控制要制备的那些储存PHA的细菌不贮藏比它们需要在盛宴期间贮藏的更多的PHA。典型地，在生物处理过程的实际条件下，贮存的PHA水平比PHA积聚过程所需的最终水平低。因此，本方面的方法旨在合并PAP富集的条件与倾向于维持具有PHA积聚的改进生理状态的生物质的条件。尽管这种解释，和对于其它这样的解释的可能性，本方法提供超过和优于基本盛宴-饥饿策略的那些的增强的过程条件，以致提高的PHA积聚性能得以实现。
[0014]本发明的其它目的和优点将从以下描述和附图(其仅仅举例说明本发明)的研究中变得显而易见和明白。
[0015]附图简述
图1是提高用于生物过程的生物质中的PHA积聚潜力的半连续流生物废水处理过程的一个实施方案的不意图。
[0016]图2是提高用于生物过程的生物质中的PHA积聚潜力的连续流生物废水处理过程的一个实施方案的不意图。
[0017]图3是提高用于生物过程的生物质中的PHA积聚潜力的连续流生物废水处理过程的另一个实施方案的示意图。
[0018]图4是提高用于生物过程的生物质中的PHA积聚潜力的连续流生物废水处理过程的另一个实施方案的示意图。
[0019]图5是经设计使废水氮化和脱氮以及同时提高用于该过程的生物质中的PHA积聚潜力的生物废水处理过程的示意图。
[0020]图6是在顺序批反应器过程中，相对于施加的二次饥饿条件，在各个时间生产的生物质的PHA积聚潜力的图示说明。
[0021]图7是与仅暴露于初次盛宴和饥饿条件的生物质的PHA积聚潜力相比，已经暴露于二次饥饿条件的生物质的PHA积聚潜力的图示说明。
[0022]图8是显示两个过程(一个使用二次饥饿条件，而另一个仅使用初次盛宴和饥饿条件)6和24小时后PHA积聚潜力的一对图示说明。
[0023]图9是显示两个平行过程(在一个过程中生物质经受二次饥饿条件，而另一个涉及仅经受初次盛宴和饥饿条件的生物质)的PHA积聚潜力的另一个图示说明。
[0024]图10是显示平行过程的PHA积聚潜力的另一个图示说明。
[0025]本发明的优选实施方案的描述
本文讨论的方法基于这样的发现，即通过在生物水处理期间施加二次扰动于重复周期的生物质盛宴和饥饿，来自饥饿条件的生物质可被刺激以显示其PHA积聚潜力(PAP)的增强。在一个实施方案中，这样的二次扰动可通过使生物质或至少部分的生物质暴露于周期地应用的延长的饥饿期而实现。这样的暴露可在给定的时间间隔发生。
[0026]通过防止生物质适应盛宴-饥饿循环的稳定的单调性，生物质通过当与相同的生物处理比较(其中生物质经受盛宴和饥饿的简单固定循环方案)达到更高的现存PAP来改善性能。已发现，与仅暴露于盛宴和饥饿(有时被称为初次盛宴和饥饿条件)的循环方案而无延长饥饿的周期间隔的相同生物质相比，在给定的时间间隔，使生物质或部分的生物质暴露于延长的饥饿期(有时称为二次饥饿)刺激提高的储存PHA的潜力。这种另外的周期地应用的饥饿期被称为对生物质的二次扰动。对生物质的初次扰动是盛宴和饥饿循环方案。
[0027]对生物质施加的超过和优于常规饥饿方案的另外的周期饥饿的二次扰动用于控制生物质，以在进入该过程的积聚阶段之前增加其对PHA贮藏的潜力。在积聚阶段，为从生物处理系统收获的生物质提取最高值，优选生物质积聚PHA至接近其完全表达潜力的水平。刺激提高的PAP促进在积聚过程期间更大容量的生产力并增加从生物质回收PHA的经济性，因为更大水平的PHA积聚由用于相同积聚过程的生物质表达。
[0028]在活性污泥处理水(废水、过程水等)中的PHA贮藏反应通过在盛宴条件期间RBCOD的可用性触发。尽管一些污染的水可具有比总COD更高部分的RBC0D，但其它未处理的水，例如市政废水，常常具有比总COD更低部分的RBC0D。较低部分的RBCOD可以过量的50% g-PHA/g-VSS，减少生产含PAP的生物质的能力。在此其具有增加驱动该过程的需要，以使全部可能的程度的PAP在积聚过程期间由生物质表达。因此，当使用具有超过总COD的低或中等部分的RBCOD的废水操作用于含PAP的生物质生产的过程时，描述于本公开内容的方法具有进一步和特别的意义。
[0029]二次扰动可