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食品废弃物和剩余污泥联合发酵产酸耦合活性污泥合成聚羟基烷酯的研究

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致谢

1绪论

1.1食品废弃物的特点和资源化技术

1.1.1食品废弃物的特点

1.1.2食品废弃物的资源化技术

1.2我国市政剩余污泥现状和处置技术

1.2.1我国剩余污泥现状和危害

1.2.2剩余污泥的资源化技术

1.3有机固体废弃物厌氧发酵产酸

1.3.1有机固体废弃物厌氧发酵原理

1.3.2有机固体废弃物厌氧发酵产酸的影响因素

1.3.3食品废弃物和剩余污泥联合厌氧发酵

1.4微生物合成聚羟基烷脂肪酸酯(polyhydroxyalkanoate,PHA)的研究现状

1.4.1 PHA的微生物合成方法

1.4.2有机废物作为碳源合成PHA的研究现状

1.5研究目标与内容

1.5.1研究目标

1.5.2研究内容

2实验材料与实验方法

2.1材料与装置

2.1.1实验试剂

2.1.2实验设备和仪器

2.1.3接种污泥和底物

2.2测试方法

2.2.1 VFAs的测定

2.2.2 HB及HV的测定

2.2.3常规指标测定

2.3计算方法

3不同比例食品废弃物和剩余污泥联合发酵产酸研究

3.1引言

3.2材料与方法

3.2.1接种污泥和底物

3.2.2有机固体废弃物酸化高效菌的驯化

3.2.3不同比例食品废弃物和剩余污泥发酵产酸实验

3.3结果与讨论

3.3.1驯化过程中发酵产酸情况

3.3.2不同比例食品废弃物和剩余污泥发酵产酸情况

3.3本章小结

4利用RSM优化食品废弃物和剩余污泥联合发酵产VFAs的条件

4.1引言

4.2实验材料方法

4.2.1接种污泥和底物

4.2.2实验设计

4.2.3反应器运行条件

4.2.4实验数据的统计分析方法

4.3实验结果与讨论

4.3.1 VFAs浓度响应分析

4.3.2发酵液中VFAs/SCOD比响应分析

4.3.3 VFAs中C偶/C奇比结果分析

4.4本章小结

5活性污泥利用食品废弃物和剩余污泥联合发酵产VFAs合成PHA

5.1引言

5.2实验材料方法

5.2.1以发酵产VFAs为底物进行高PHA存储能力微生物的驯化

5.2.2不同磁场条件下底物与PHA组分之间的关系模型研究

5.2.3不同磁场条件下活性污泥合成PHA的研究

5.3实验结果与讨论

5.3.1以发酵产VFAs为底物进行高PHA存储能力微生物的驯化

5.3.2不同磁场条件下底物与PHA组分之间的关系模型研究

5.3.3不同磁场条件下活性污泥合成PHA的研究

5.4本章小结

6结论与建议

6.1结论

6.2创新点

6.3建议与展望

参考文献

攻读学位期间发表的与论文内容相关的学术论文

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摘要

食品废弃物和剩余污泥是最具代表性的两种有机固体废弃物,二者都具有较高的有机质含量和含水率,所以在环境中极易腐败,释放臭气和有毒气体,并对地下水和土壤造成污染。食品废弃物和剩余污泥混合发酵产有机性挥发酸(VFAs),为活性污泥合成聚羟基烷酯(PHA)提供廉价碳源,不但能够实现两种固体废弃物的资源化,还能够大大降低PHA的生产成本。全文研究内容和实验结果如下:
   (1)以食品废弃物和剩余污泥为底物,采用半连续流加料方式,进行有机固体废弃物高效发酵产酸菌的驯化培养。结果表明,培养20天后驯化体系达到稳定,稳定后发酵所得VFAs浓度为4000±150 mg COD/1,VFAs中丁酸含量最高,其次为戊酸,丙酸和乙酸含量相对较少。
   选取底物中食品废弃物和剩余污泥挥发性固体(1VSS)比分别为100:0,90:10,70:30,50:50,30:70,0:100,研究不同比例下发酵产VFAs情况。结果表明,发酵液中溶解性化学需氧量(SCOD)与食品废弃物的含量成正比,食品废弃物和剩余污泥比例为90:10时发酵产VFAs量最高,100%食品废弃物所得发酵液中NH4+-N和PO43-P浓度过低,影响了产VFAs微生物的活性;同时,不同底物比例还会影响VFAs的分布,VFAs中乙酸的百分含量随着剩余污泥比例的增高而增高,丁酸的百分含量则是随着底物中剩余污泥比例的增高而出现明显下降。
   (2)利用表面响应法(RSM),对食品废弃物和剩余污泥混合发酵产VFAs的条件进行优化。考察了底物中食品废弃物比例、有机负荷率(OLR)、固体停留时间(SRT)、pH对VFAs浓度、VFAs/SCOD比的相互作用关系,以确定最优工艺条件。优化得到的最高VFAs浓度对应的件为:食品废弃物含量88.03%,SRT8.92 d,OLR8.31 gVSS/1d,pH值6.99,实验值29099 mg/l与预测值28000 mg/l存在较好的一致性;预测得到的最高VFAs/SCOD比为92.82%,对应的的优化条件为食品废弃物含量:92.12%,SRT:6.26 d,OL,R:4.26 gVSS/1d,pH值:7.18,实验值89.91%与预测值92.82%存在较好的一致性。发酵所得VFAs中C偶/C奇比随着底物中食品废弃物比例的增大而增大,并且随着有机负荷率OLR的增大而增大,pH值为6.7左右时得到最小C偶/C奇比。
   (3)以食品废弃物和剩余污泥混合发酵产的VFAs为底物,采用逐步增加负荷法驯化高PHA储存能力活性污泥。结果发现,在3600mgCOD/1的负荷下得到最高PHA含量为47.65%(细胞干重),在720mgCOD/1负荷条件下得到最高转化率0.59mgCODPHA/mgCODVFAs。
   采用均匀设计实验,在0 mT,7 mT,21 mT磁场条件研究乙酸、丙酸、丁酸和戊酸与PHA成分之间的关系模型。利用SAS9.0软件回归得到的系列模型都具有很高的可靠性,验证实验值与模型预测值存在较高的一致性,被证明可以用来预测PHA组分的合成量。
   选择0 mT、7 mT、21 mT三个磁场条件进行活性污泥合成PHA的批式实验。以食品废弃物和剩余污泥混合发酵产VFAs为底物合成PHA时,7 mT磁场能够提高HB的合成量,21 mT磁场能够提高HV的合成量。不加磁场条件下最终得到的转化率为205 mgCODPHA/gVSS;7 mT磁场条件下得到的转化率为232mg CODPHA/gVSS,与21 mT磁场条件下接近。以有机固体废弃物的酸化发酵液为底物合成PHA时,不同磁场条件下的HB、HV合成量与以分析纯有机酸为底物时相比普遍增高,说明酸化发酵液中非VFAs的溶解性有机物对合成PHA也有贡献。

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