处理城市废水和生产具有生物聚合物生产潜力的生物质的方法

发明领域

本发明涉及一种生物学废水处理系统和方法，更具体地，本发明涉及一种生产能积累聚羟基烷酸酯(polyhydroxyalkanoate, PHA)的生物质的生物学废水处理系统和方法。

发明背景

家庭废水主要衍生自住宅区域和商业区。公共机构和娱乐设施也代表有助于该废水的来源。在初步沉降后，家庭废水的有机含量通常在100-900 mg-COD/L的低范围，当然在1000 mg-COD/L以下。当遇到较高强度的城市废水时，城市处理设施可能承受家庭废水加上在该区域中来自工业活动的另外的有机负载。

经初步处理的废水有机含量中的相当大部分不溶解，从而认为是颗粒性质的。初级流出物的溶解部分通常含有可容易生物降解的化学需氧量(RBCOD)。假定在生物学活性环境中足够的时间，一些颗粒状部分也水解成为RBCOD。

生物学去除在城市废水中的化学需氧量(COD)产生生物质，并且废弃的生物质在全世界已成为固体废物处理问题。减轻需要处理的生物质的量的现有技术方法是厌氧消化生物质，以产生可转化为能源的生物气。

科学家和研究者已花费大量时间和努力来试图鉴定在生物学处理废水的过程中产生的生物质的有价值的和值得的应用。已知在废水处理中产生的生物质具有积累PHA的潜力。PHA为可由生物质回收并且转化为具有商业价值的可生物降解塑料的生物聚合物，其可用于许多感兴趣的和实际的应用。

通常的生物学废水处理过程产生生物质并且产生的生物质通常包括一些积累最小水平的PHA的潜力。然而，PHA的这些潜在水平不足以使收获生物质和从中提取PHA在经济上可行。

因此，需要生物学废水处理系统和方法，其不仅从废水中除去污染物，而且目的在于生产对于积累PHA具有增强的潜力的生物质。

发明概述

本发明涉及生物学处理废水和从废水除去污染物的方法。在处理废水的过程中，生产生物质。除了从废水除去污染物以外，本发明的过程或方法需要增强生物质的PHA积累潜力(PAP)。

本文论述了可用于生物学废水处理系统以增强PAP的多种过程。例如，如下可实现增强的PHA积累潜力：将生物质暴露于丰富和匮乏(feast and famine)条件，在将生物质暴露于匮乏(famine)条件之后，通过施用大于5 mg-COD\L\分钟的平均峰值刺激性RBCOD进料速率与大于0.5 mg-COD\g-VSS\分钟的平均峰值RBCOD比进料速率组合，通过将生物质暴露于丰富(feast)条件持续所选的时间段，刺激生物质进入丰富时期。在另一个实例中，生物质的PHA积累潜力通过使生物质经历引起生物质达到峰值呼吸速率的丰富条件而得到增强，该峰值呼吸速率大于生物质的现存最大呼吸速率的40%。本文论述了可有助于增强生物质的PHA积累潜力的其它过程或步骤。例如，控制或操纵生物质所经受的RBCOD体积有机负载速率可影响生物质积累PHA的能力。此外，在生物学废水处理过程中，增稠的生物质混合液通常再循环并且与新鲜的流入废水混合。生物质混合液的体积再循环速率亦可在增强生物质的PHA积累潜力中起到显著的作用。可有助于增强生物质的PHA积累潜力的过程参数的另一个实例是保持相对短的固体停留时间。本文更详细地论述可用于在生物质中增强PHA积累潜力的这些和其它发现。

附图简述

图1为设计用于增强所生产的生物质的PHA积累潜力的生物学废水处理系统的示意图。

图2显示相同的生物质的两个高度放大的图像，但是其中对右边的图像进行尼罗蓝染色，这说明在生物质中大部分的细菌具有储存PHA的能力。

图3为说明在示于图1的废水处理系统中，在两个不同的位置，在某一时间段内取样的生物质中PHA含量的图。

图4为绘制生物质(作为PHA)的分数相对于积累时间的图，并且其总体描述基于按需给料(feed-on-demand)控制，在具有呼吸的中试规模进料分批反应器中，使用发酵的乳品工业流出物的PHA积累。

图5为显示部分生物质PHA含量相对于积累时间的图，并且其显示用于接种实验室规模生物反应器的具有通常低PAP的生物质的结果。

图6为显示诱导的比氧摄取速率(SOUR_i)作为三种来源的活性污泥混合液的RBCOD-乙酸盐浓度的函数的图，代表从低到中到中-高水平的PAP的PAP范围。

图7为显示诱导的比氧摄取速率(SOUR_i)作为流入废水与混合液混合比的函数的图，用于适应相应的城市废水的活性污泥。

图8示意性说明处理RBCOD的活性污泥过程，并且其采用增强在过程中生产的生物质的PHA积累潜力的基本原理。

图9示意性说明采用用于处理RBCOD的生物膜过程的生物学废水处理过程，并且其中该过程采用增强所生产的生物质的PHA积累潜力的原理。

图10A和10B示意性说明应用涉及增强在生物质中PHA积累潜力的本发明原理的生物学废水处理过程，用于在废水中处理RBCOD的半连续流入物流动悬浮的生物质生长过程的情况。

图11示意性说明使用城市废水并且包括事先的初步处理，具有PAP的生物质生产的整个过程流程。

图12示意性说明使用城市废水并且在高速率RBCOD去除期间期间应用接触稳定的技术以除去胶态有机物质，具有PAP的生物质生产的整个过程流程。

发明详述

针对生物学处理的城市废水通常包含悬浮的和溶解的有机物质。有机物质的溶解部分通常为可生物学降解的，其浓度通常不多于500 mg-COD/L。大部分的该COD (化学需氧量)可认为是可容易生物降解的(RBCOD)。本发明的过程涉及由处理城市废水RBCOD来生产生物质，其中生产的生物质呈现增强的PHA积累潜力。如前所述，由于许多感兴趣的实际应用领域，PHA为可由生物质回收并且转化为具有工业价值的可生物降解塑料的生物聚合物。增强的PHA积累潜力是指在单独的过程中并且采用受控的方式，当用RBCOD的其它可用来源对生物质进料时，生物质储存PHA的能力超过最终的有机重量(作为PHA)的35%，并优选超过50%。在悬浮的生长系统的混合液中的生物质浓度通常通过充分建立的方法来评价，作为总悬浮固体(TSS)和作为挥发性悬浮固体(VSS)的生物质的有机组分。因此，在活性污泥中PHA水平可表示为g-PHA/g-TSS，但是更优选表示为g-PHA/g-VSS。例如，如果活性污泥生物质的灰分含量为10%，则通过应用本发明的方法，将实现PHA积累潜力(PAP)超过约32% g-PHA/g-TSS，并优选超过45% g-PHA/g-TSS。

在生物质中促进PAP的一种方法是通过将生物质暴露于丰富和匮乏条件的不同循环。基本上，将生物质暴露于丰富和匮乏条件需要将生物质暴露于有机碳基质供应的动态条件。在这些条件下，有机碳基质以这样的方式供应，以促进大量基质可利用的时期(丰富条件)和基质缺乏的时期(匮乏条件)的交替。在丰富条件下，生物质摄取RBCOD，并且储存其相当大部分的PHA形式，用于随后在匮乏条件下利用以便生长和维持。由于生物质重复暴露的丰富和匮乏循环，PHA的该储存和利用是PHA的周转(turnover)。尽管富集具有PAP的生物质，但在废水处理期间在生物质中可测量的PHA水平可能仅为全部现存的生物质PHA积累潜力的小部分。

废水中的RBCOD在丰富条件下被生物质消耗。由于在丰富条件下生物质消耗RBCOD，当废水的RBCOD浓度降低时，有效处理废水。为了实现生物质的丰富条件，将流入物RBCOD与悬浮的或作为混合液中的生物膜的生物质组合，其方式使得在某一点将生物质暴露于足够高的RBCOD浓度。如果在匮乏之后重复施加峰值刺激性丰富RBCOD条件并且平均地实现，则强加在生物质中用于增强PAP的选择性压力。平均峰值丰富刺激性浓度应超过10 mg-RBCOD/L，但是优选超过100 mg-RBCOD/L，同时保持整个废水污染物浓度至小于经测定为抑制生物质的水平。术语“峰值浓度”是指在所选的时间段期间在丰富区域中的最大RBCOD浓度。通过在某些时间段内对峰值浓度取平均，确定平均峰值浓度。如果将初步或事先的初步处理施用于流入废水，则初级固体可在侧流中发酵，并且通过该发酵步骤释放的RBCOD从而可用于补充丰富响应。

在至主要废水流的侧流中可实现用于生物质的匮乏条件，其中在丰富期间，由RBCOD消耗而在生物质中储存的PHA本身至少部分被消耗，同时使生物质进入可忽略不计的可用RBCOD的环境。生产的具有增强的PAP的生物质由废水处理过程收获，并且引向废污泥处理过程。在本行业，该生物质收获称为“耗损(wasting)”，并且对于活性污泥过程，其称为废活性污泥。就本目的而言并且作为我们的废污泥管理实践的一部分用于本发明的目的，使该耗损的生物质积累PHA，优选达到其潜力的程度，并且该积累的PHA随后回收作为有附加值的产物。具有PHA积累和回收的污泥处理代表显著降低需要处置的废污泥残渣的最终质量的备选机会。

本发明涉及作为处理城市废水的结果，富集和生产产生PHA的生物质的方法或过程。在废水中有机污染物的浓度通常关于化学需氧量(COD)进行评价。较高的COD反映在废水中较高水平的有机污染。本发明的目的是在这样的废水中利用低浓度的可溶性可容易生物降解的化学需氧量(RBCOD)，以在废水处理期间在生物质中刺激PHA代谢周转。这么做可富集具有PHA-生产潜力的生物质以及改进PHA积累动力学至显著高于通过当今城市废水处理由有机碳去除而生产的生物质通常预期的那些水平。由城市废水处理过程收获的生物质可从而用于生产生物聚合物，假定对于生产特定种类的PHA可能更尤其需要的其它有机原料可利用的情况下。

在一种实施方案中，所述方法利用收获的废水处理生物质来积累PHA生物聚合物，其量和速率变得在工业上更加引人关注。如下改进PHA积累和回收的经济可行性：

1. 促进对于PHA积累潜力呈现增强能力的生物质的生长。在收获的生物质中可达到的PHA含量越高，则PHA纯化过程越多产和有效。每单位提取体积将回收更多的PHA。经验说明提取效率随着在生物质中积累的PHA的程度而提高。

2. 操纵生物质的PHA积累速率，使得可在相对短的时间范围内实现PHA积累的最大能力。PHA积累的动力学越大，则积累单元过程越多产和有效。对于给定的时间，每单位体积可生产更多的PHA。

本发明针对整体手段(overall means)来处理这两个因素，以实现日益提高的更加实用和在经济上可行的基础设施用于生物聚合物的生产过程，该过程与废水改善的设施直接偶联(参见实施例11和12)。由生物质处理城市废水，期望用于生物聚合物生产的成功实用方案，这是因为它们可同时导致降低需要处置的废污泥的方法。与由城市处理厂产生的污泥处理相关的问题在全球范围内被全世界的政府组织和水行业专家公认。

目标是具有PAP的生物质生产或目标是用于随后的PHA积累和回收而供应的有机碳源需要彼此独立考虑。在集中于经富集用于PHA生产的生物质的混合培养物的学术研究中，常见的是挥发性脂肪酸(VFA)用作生物质生产和PHA积累过程二者的主要有机碳源。VFA为RBCOD的一个实例，并且为用于科学研究的最常施用的RBCOD，所述科学研究涉及在混合培养系统(例如活性污泥)中富集生物质生产和PHA积累的基础发展。然而，在实际的应用中，将COD转化为VFA的过程可能需要发酵单元过程，这样增加了过程的资金和操作成本。VFA为酸，因此发酵单元过程可同样需要昂贵的化学添加以控制发酵的废水pH。城市废水处理厂每天加工大体积的低强度废水。因此，如果需要另外的大的反应器体积来实现将废水COD转化为VFA所需的保留时间，则主流发酵过程可能在经济上不具有吸引力。因此，虽然VFA可认为是用于实际的PHA积累步骤的重要的并且通常主要的RBCOD来源，但是如果人们可更合适地生产用于随后PHA积累所需的生物质而不依赖于RBCOD如VFA，则可能具有实用和经济优势。理想地，人们想要在很少(如果有的话)插入的预处理步骤的负担情况下，利用流入的可溶性有机物质进行具有PAP的生物质生产。

呈现的方法或过程的明确应用显著改进由用于处理城市废水的生物质进行PHA生产的经济可行性。作为延伸，本发明的实现可用于进一步开发城市废水处理基础设施，这么做，可实现针对较低整体污泥生产的长期目标的进一步进展。

本发明的过程涉及由从城市废水的有机碳去除来更加选择性生产生物质。由于PHA积累潜力的功能属性，生物质得到提高。一个目标是实现PAP，用于在工业上可行的过程中利用该积累潜力的目的，这使得能够生产和回收PHA作为有附加值的产物。PHA生产和回收的过程步骤可进一步用于能量生产和减轻废物生物质处置。

问题是要解决实现该目标的已知的实际限制；迄今为止通常认为在当处理城市废水时已得到的敞开的混合培养物中PAP的水平是不足够的，并且发现积累的动力学缓慢。开发了克服这些限制的策略并且涉及：

·关于RBCOD供应，将生物质暴露于动态条件。

·关于在过程中的量、浓度、速率、时间和/或位置，限定用于生物质的RBCOD有机负载的条件。

·使用不局限于挥发性脂肪酸(VFA)和醇的RBCOD来源，增强生物质的PAP。

·通过施用低污泥停留时间，提高生物质的收率。

·建立灵活性，使得过程适应在连续或序批反应器构型中操作的现有处理基础设施。

·建立灵活性，使得过程适应使用在悬浮液(即，活性污泥)或在生物膜(即，旋转生物学接触器或移动床生物反应器)中生产的生物质操作的现有处理基础设施。

活性污泥为用于生物学废水处理的广泛使用的过程。已知在活性污泥的生物质中存在的细菌物种能生产PHA。通过这些细菌的PHA生产需要废水有机物质的摄取、转化和储存(如PHA)。该代谢过程在活性污泥中众所周知，并且包括在现有技术过程模式中。然而，迄今为止，对于通常用于处理低有机强度城市废水的活性污泥，所报道的积累PHA的潜力低。该低积累潜力相对于使用较高强度工业废水已针对PAP而被富集的活性污泥的潜力，其中RBCOD包含显著部分的VFA。对于活性污泥处理城市废水，在对来自日本的4个不同的城市废水处理厂的18个活性污泥样品的分批PHA积累测试中已报道30 % g-PHA/g-TSS的最大含量(Takabatake H，Satoh H，Mino T，Matsuo T. 2002。PHA (polyhydroxyalkanoate) production potential of activated sludge treating wastewater(活性污泥处理废水的PHA (聚羟基烷酸酯)生产潜力)。Water Science and Technology 45(12):119-126)。类似地，当在交替厌氧-需氧条件下操作的实验室规模反应器中处理城市废水时，得到约20 % g-PHA/g-TSS的含量，已知这有利于生产PHA的微生物的增殖(Chua ASM，Takabatake H，Satoh H，Mino T. 2003。Production of polyhydroxyalkanoates (PHA) by activated sludge treating municipal wastewater: effect of pH, sludge retention time (SRT), and acetate concentration in influent(通过活性污泥处理城市废水生产聚羟基烷酸酯(PHA)：pH、污泥保留时间(SRT)和在流入物中乙酸盐浓度的影响)。Water Research 37(15):3602-3611)。

干生物质的PHA含量在PHA的工业生产中是重要的技术和经济因素，由于其影响在下游加工中聚合物回收的效率，并且影响整个聚合物收率(相对于消耗的RBCOD)。此外，较高速率的PHA积累积极地影响过程的体积生产力。因此，优选选择有助于刺激活性污泥的PAP增强的条件，其促进生物质的优良的积累速率和改进的PHA积累能力二者。有利的是与处理废水的需求直接偶联，实现这些富集目标。

已发现，由于对RBCOD负载、污泥保留时间和丰富-匮乏刺激的适当关注，可操作城市生物学处理过程，以在24-小时分批积累实验中，生产已积累在37 (33)-51 (46) % g-PHA/g-VSS (TSS)范围的PHA的活性污泥生物质(实施例1-实施例3)。此外，意外地发现，生物学处理含有RBCOD (具有可忽略不计的VFA和醇含量)的低强度城市废水，可促进提高具有PAP的生物质。

如以上论述的，丰富和匮乏条件可作为过程中的时间或位置函数而强加于生物质上，而且由于随着时间的逝去有机负载速率的每日流入物变化，使得在两种情况下，活性污泥或生物膜生物质平均经历较高RBCOD供应的时期与较低RBCOD供应的时期交替循环。在研究和专利文献中以前未充分定义的是施用于涉及城市废水的丰富条件的操作标准，其中常规表征RBCOD可能困难并且昂贵，并且其中RBCOD通常以不可靠水平的VFA和醇含量存在。

VFA是用于PHA生产的有利基质。认为这种类型的RBCOD是通过混合微生物培养物(例如活性污泥)而转化为PHA的有机化合物的主要组群。此外，科学文献已揭示适当适应的混合培养物能将醇转化为PHA (Beccari M，Bertin L，Dionisi D，Fava F，Lampis S，Majone M，Valentino F，Vallini G，Villano M. 2009。Exploiting olive oil mill effluents as a renewable resource for production of biodegradable polymers through a combined anaerobic-aerobic process(开发橄榄油研磨流出物作为可更新资源来通过组合的厌氧-需氧过程生产可生物降解的聚合物)。Journal of Chemical Technology and Biotechnology 84(6):901-908)。城市废水的RBCOD中VFA和醇的分数通常可变，具有中等至非常低(<10-30 mg-COD/L)浓度，并且已将这些低浓度看作是对于由城市废水生物学处理设施废弃的活性污泥富集PHA-生产潜力的技术障碍(Chua等人，2003)。

进一步由于引向城市废水处理设施的RBCOD的化学组成未经特别控制，实际的优势是能够设计用于具有PAP的生物质生产的过程，该过程对于到达流入物的RBCOD的类型不敏感。为此，已发现RBCOD(一般地)，更特别是含有可忽略量的VFA和醇的RBCOD可使得有助于生物质PHA储存响应。该发现意味着作为废水生物学处理设施的副产物，可实现具有PAP的生物质增强(实施例1)。在关注用于有机负载和丰富刺激性(simulating)条件的过程设计的情况下，可利用生物学处理城市废水RBCOD以生产具有增强的PAP和积累动力学二者的生物质(实施例5)。城市废水处理厂可采用这种方式操作，用于污染控制和作为促进平行PHA生产的功能生物质的来源，以及作为残余污泥管理的备选有吸引力的策略。

对于不含显著水平的VFA或醇的RBCOD，城市废水RBCOD有机负载速率与低污泥保留时间(SRT)组合将在活性污泥中刺激PAP增强。此外，发现表明，RBCOD丰富的应用方法显著有利于在生物质中调节提高的现存PHA积累动力学(实施例5)。为此，优选在将含有RBCOD的流入废水与从匮乏条件处置的生物质的混合中，诱导较高的现存生物质丰富呼吸速率。用于丰富的生物质负载的目的是刺激PHA周转的代谢。如果生物质被足够高浓度的RBCOD诱导，则刺激对于PHA积累的丰富响应。这种刺激的较低阈值容易通过用于测量生物质氧摄取速率的简单标准方法来确定(实施例6和实施例7)。遵循这种建立的方法(Archibald F，Methot M，Young F，和Paice M. 2001。A simple system to rapidly monitor activated sludge health and performance(快速监测活性污泥健康和性能的简单系统)，Wat. Res. 35(19):2543-2553)，对于参比RBCOD观察到，约10 mg-COD/L实现显著丰富刺激。生物质的呼吸速率随着RBCOD浓度的提高而提高，直到最大限度。生物质呼吸响应的该最大限度可变化，但是通常观察到用约100 mg-COD/L和以上的RBCOD浓度，达到呼吸能力。还观察到随着PAP的提高，生物质的呼吸速率能力通常较高。

在常规过程操作中，监测以确保诱导至少10 mg-COD/L的丰富RBCOD浓度可能不简单。RBCOD快速可生物降解，因此在丰富环境中RBCOD的可靠取样、保存和定量分析具有挑战性。然而，当表征了平均流入废水RBCOD浓度时，通过确保从匮乏条件引向丰富条件区域的生物质的最小比进料速率，可在过程设计中建立丰富刺激性条件。通过用流入物RBCOD质量流速(mg-COD/分钟)除以过程丰富区域的体积(mg-COD/L/分钟)，估计丰富刺激性进料速率。通过用流入物RBCOD质量流速除以在过程丰富区域中生物质的质量(mg-COD/g-VSS/分钟)，估计刺激性比进料速率。本文中使用术语“平均峰值进料速率”或“平均峰值丰富刺激性RBCOD进料速率”。“峰值进料速率”是指在暴露于丰富条件的一段时期期间生物质所经受的最大进料速率。由于生物质经受交替丰富和匮乏条件，因而断定生物质暴露于众多单独的丰富条件时期。平均峰值进料速率为在生物质经受丰富条件的地点或时间时在各个时期的峰值进料速率的平均。

已发现导致0.5 mg-COD/g-VSS/分钟的RBCOD比进料速率的8 mg-COD/L/分钟的平均刺激性丰富RBCOD进料速率足以增强PAP (实施例5)。

RBCOD浓度或比进料速率提供标准，根据该标准建立设计和操作条件，以确保在生物质中(至少平均)足够的丰富响应。然而，在本领域，当用流入废水刺激进入丰富时，可更优选评价在生物质中诱导的呼吸速率。呼吸速率评价用于基于受刺激的生物质呼吸的现存能力来建立过程控制(实施例6和实施例7)。在经受匮乏条件之后，在过程中的生物质被刺激进入丰富呼吸。例如，给定足够的匮乏暴露，已从经处理的流出物分离和浓缩的生物质再循环至丰富区域。流入废水与含有生物质的再循环混合液的初始混合稀释流入物RBCOD浓度。废水流入物体积流速除以再循环混合液体积流速定义混合比，由该混合比可估计生物质初始暴露于的丰富RBCOD浓度。或者，人们可由直接测量建立对于给定的混合比，实现的生物质呼吸能力的分数(实施例7)。

一些废水可能含有抑制生物质的物质。因此，如果允许这些物质以较高的浓度存在，则在不考虑可能不利地影响生物质健康的其它废水污染物的情况下，不能得到RBCOD刺激性浓度(实施例7)。较高的流入废水与再循环生物质体积混合比不必然更好。因此引人关注的是，主动保护过程免受由于例如异常的流入物事件所致的冲击负载(shock loading)和过程扰乱情况(process upset conditions)。RBCOD的流入物品质可能每日或季节性变化。因此，优选流入物混合稀释对生物质(带来丰富刺激的优化设定)的影响，由抓取样品(grab sample)研究或者更优选借助在线监测常规地评价。例如，通过采用扫描光谱法的市售可得的仪器可实现在线监测流入废水品质和强度。对于需氧丰富条件，生物质诱导的丰富呼吸可接着监测在线溶解氧测量以及评价递送至初始废水-生物质混合区域的悬浮固体浓度(实施例8)。

在实际的应用中，可使用RBCOD浓度、比进料速率和/或生物质呼吸以相对于用于丰富刺激的再循环的生物质与废水流入物的最优体积共混比来设计和控制过程。实现丰富呼吸响应的实际方法需要关注稀释的程度和用于将流入废水RBCOD与从匮乏引导的生物质组合的方法。对稀释比的合适范围的实际限制受到以下的影响：废水的标称RBCOD浓度和在引向流入废水流并与其混合之前浓缩的生物质流的程度。

通常，在需氧、缺氧或厌氧的环境中可建立丰富条件。如果施用需氧丰富，则优选溶解氧水平不限制生物质具有能力而呈现的需氧丰富代谢活性的潜力。由于RBCOD的可生物降解性质，在将流入废水与再循环生物质流混合时，优选刺激与实现的峰值刺激性RBCOD浓度紧密关联的生物质丰富代谢响应。如果通过流入废水与生物质的受控混合建立丰富条件，则直接在混合点，需要存在足够量的溶解氧水平。由于在流入废水和再循环的活性污泥中溶解氧水平通常耗尽，在混合前使这些流中的一个或两个再次曝气将尽可能直接地允许在与汇合流混合的生物质中的代谢响应(实施例8)。

低污泥停留时间(SRT)与充分定义的“丰富”呼吸组合为整个实用和经济的过程可行性引入益处，出于PHA生产的目的和城市废水RBCOD的生物学处理二者相关的原因：

·降低的SRT提高依靠RBCOD的生物质收率。提高的生物质收率最终允许生产更多的PHA，这是由于来自城市废水处理设施的更多的具有PAP的生物质将供应更多质量的PHA，假定用于确保PHA生产所需的RBCOD供应可用。较大的生物质收率也意味着在RBCOD处理期间从废水除去更多的营养物质，例如氮和磷。

·具有降低的SRT的生物质生产将生产具有降低水平的惰性有机悬浮固体的生物质。在生物质中降低水平的惰性固体使随后的积累过程富集，且更多活性PHA生产生物质/每千克生物质从废水处理过程收获。

一种影响整个过程质量平衡的技术是在初步处理期间借助事先的颗粒分离。显著部分的流入废水有机物质作为颗粒和胶态物质存在。在废水处理过程的前端除去这样的颗粒状物质的有效策略将缓解该颗粒状物质对生物质的影响。该缓解可能有助于在丰富后产生更加严格的匮乏环境。排他地依靠RBCOD的生物质生长可促进较高水平的富集，这是由于在生物质中外部有机固体减少，并且相对于提高选择性环境压力来促进生产PHA的微生物而言。如果在侧流中发酵成为VFA并且以受控的方式投料进入丰富反应器，除去的和可水解的颗粒状固体可用作有机物质的来源用于富集。对流入物基质的这样的VFA补充可促进PAP的提高水平的增强。尽管如此，最优选基于流入废水RBCOD而不关注其VFA含量来生产生物质，随后使用衍生自初级固体的发酵的任何VFA(或VFA的任何其它来源)，仅用于在收获的(“废弃的”)生物质中PHA积累的目的。

因此，本发明的原理可适用于处理城市废水RBCOD，用于生产生物质，其随后可用于随后的PHA生产，并且涉及：

·处理含有低浓度的可溶性RBCOD的废水，和

·通过在高负载的丰富环境中选择性消耗该可溶性RBCOD，使生物质生长。

并且进一步涉及：

·设计负载条件，其将促进在生物质中PHA的显著周转，即使与用于收获的生物质的PAP相比，在废水处理过程中，在任何点处，在生物质中的PHA的绝对水平可能相对低(小于TSS的10%)，

·在丰富后，使生物质经受匮乏环境，作为在过程内的时间或生物质位置的函数，和

·分离和发酵胶态有机化合物，用于用VFA扩大丰富反应器，或者在优选的实施方案中，用于用这些VFA供应积累过程。

因此，通过应用提出的过程或方法，在用于处理废水的生物质中PHA积累潜力将扩充在从城市废水除去有机污染时生产的生物质的目前通常的实践中人们所预期的范围。生物质中的最大PHA储存潜力(在单独的积累后过程中表示)应至少超过35%，并优选超过50% g-PHA/g-VSS。

实施例1. 用RBCOD增强大规模城市废水处理的PAP

检查大规模城市废水处理厂，以建立用RBCOD增强PAP的过程设计和控制标准。处理设施接受相应于200,000的人口当量的废水。集中于总体处理厂的一部分，其在去除大的颗粒、砂砾、油和油脂之后，接受流入废水，并且包含以下单元过程(图1)：高速率活性污泥处理(HRAST)，沉降和流出物分离，和将生物质再循环至HRAST。在高速率去除RBCOD之后，将废水引向进一步处理，用于氨和残余的有机物质去除。更具体地，图1示意性说明生物学废水处理过程，将其设计以生物学处理含有RBCOD的流入废水流，同时，增强在生物学处理废水的过程中生产的生物质的PHA积累潜力。参考图1，将含有RBCOD的城市废水引向混合点2，在这里使流动通过管线8的返回活性污泥与流入废水混合。流入废水与返回活性污泥合并，形成混合液。该混合液进入高速率活性污泥处理系统，在这种情况下，其包含两个塞流槽(plug flow tank)或反应器3和4。在该实施例中，一部分槽或反应器3用作丰富区域。也就是，槽或反应器3的上游部分将接受包括相对高RBCOD浓度的混合液。这使得混合液中的生物质能暴露于丰富条件。在该实施例中，使槽或反应器3和4曝气，因此，生物质用于从混合液除去RBCOD。当混合液通过槽3和4向下游前进时，认识到混合液的RBCOD浓度将下降。在该实施例中，系统和过程经设计，使得当混合液到达槽或反应器4的下游部分时，与在槽或反应器3开始时混合液的RBCOD浓度相比，混合液的RBCOD浓度将相对低。因此，在槽或反应器4的下游端部分存在匮乏条件。认识到，由于返回活性污泥管线8，生物质连续循环通过丰富和匮乏区域，因此，生物质连续经受丰富和匮乏条件。将离开槽或反应器4的混合液引向固体分离器5。此处将澄清的或已分离的流出物从管线6引出，并且将浓缩的污泥或混合液引入收集室7。一部分生产的生物质经由管线10作为废活性污泥除去。活性污泥生物质的剩余部分通过返回活性污泥管线8引回至混合点2，在这里将返回活性污泥生物质与进来的新鲜废水流入物混合。

HRAST的工作体积为1950 m³，由两个18×6 m长方形槽串联制成，提供用于塞流式反应器混合。流入废水每日平均流速在1300-1800 m³/h范围。在流出物分离后，生物质再循环流速标称为1400 m³/h。流入废水的典型的浓度为：700-1200 mg/L总COD，200-350 mg/L可溶性COD，10-35 mg/L VFA，0-10 mg/L乙醇，< 2 mg/L甲醇，70-150 mg/L总氮，和6-20 mg/L总磷。HRAST溶解氧(DO)浓度保持超过1 mg/L。在HRAST中水力保留时间估计为0.5-1小时，并且基于可溶性COD的体积有机负载速率为3-8 kg COD/m³/天。

在生物学废水处理过程中，例如在图1中说明的，可执行步骤和过程，其将增强在废水处理过程中生产的生物质的PHA积累潜力。如上所述，期望生物质经受交替丰富和匮乏条件。这一点如上所述。一种增强生物质的PHA积累潜力的方法是，通过使生物质经受引起生物质达到峰值呼吸速率的丰富条件，刺激生物质饱吃(feast on) RBCOD，该峰值呼吸速率为生物质的现存最大呼吸速率的至少40%。可执行将引起该峰值呼吸速率的多种测量或过程。一个实例包括通过施用大于5 mg-COD\L\分钟的平均峰值丰富刺激性RBCOD进料速率与大于0.5 mg-COD\G-VSS\分钟的平均峰值丰富RBCOD比进料速率组合，通过将生物质暴露于丰富条件持续所选的时间段，刺激生物质进入丰富时期。存在其它过程或控制，其可在图1的废水处理系统中执行以增强生物质的PHA积累潜力。另一个有助于PHA积累潜力的子过程是执行在丰富条件期间保持生物质可用的RBCOD的平均峰值浓度为10 mg-COD\L-2000 mg-COD\L的过程。同时，另一个有助于增强PHA积累潜力的子过程是提供等于或大于2 kg-RBCOD\M³\天的体积有机负载速率。另外，通过控制返回活性污泥(包括生物质)的再循环速率也有助于增强生物质的PHA积累潜力。基于进行的研究和测试，认为凭经验测定的最佳体积流入废水与返回活性污泥的混合比在约0.2-约5范围将有助于增强生物质的PHA积累潜力。此外，控制在丰富区域或引发和存在丰富条件的反应器的区域中的溶解氧浓度也有助于增强生物质的PHA积累潜力。此处，方法或过程涉及通常将丰富区域中溶解氧浓度保持大于0.5 mg\O₂\L。本文论述的其它步骤或子过程也可在生物学废水处理系统中执行，例如示于图1的系统，以增强生物质的PHA积累潜力。如以上论述的，感兴趣的发现之一在于，可调节或处理在生物学处理城市废水的同时生产的生物质，使得改进或增强生物质的PHA积累潜力。相同的方面，意外地注意到并且看到生物质的PHA积累潜力可增强，即使对于这样的废水流也如此：其中多于75%的RBCOD由除挥发性脂肪酸和醇以外的化合物组成。

用积累PHA的微生物增强HRAST生物质。通过表面荧光显微镜术检查生物质样品的尼罗蓝A染色(图2)，已知尼罗蓝A染色选择性对PHA颗粒进行染色。导致亮红色荧光视野的染色说明在生物质中大部分的细菌具有储存PHA的能力。

在来自HRAST生物反应器和澄清器抓取样品(图1中的位置L₁和L₂)的生物质中测量PHA揭示发生PHA的显著周转。在2天过程内获取的4个样品(A-D)中，PHA含量在HRAST中比在流出物分离后(图3)一致较高。从L₁取出的混合液抓取样品代表从流入废水和再循环的生物质流的汇合位置开始，在50%的HRAST水力保留时间之后的生物质条件。

在HRAST中，直到L₁，PHA的估计的生产相应于平均73 kg-碳/小时(kg-C/h)。在L₁与在L₂处离开的浓缩的生物质流之间，类似量的碳被消耗。然而，VFA和醇的消耗量，仅占一部分转化为PHA的碳(即，平均26 kg C/h)，表明由除如VFA和醇的RBCOD以外的RBCOD来源发生PHA合成。

估计HRAST生物质的PHA积累潜力高达51% g-PHA/g-VSS (实施例2和实施例3)。这些观察表明在具有低至可忽略的VFA和醇含量的城市废水中的RBCOD可用于生产具有增强的PHA积累潜力的生物质。继续的研究，但是用实验室规模生物反应器处理城市废水(实施例5)揭示，对生物质丰富刺激环境的特定考虑可应用于在生物质中PHA积累的动力学。

该大规模生物学废水处理厂不包括初步沉降。因此，认为生物质含量受到流入的颗粒状有机物质的影响，流入的颗粒状有机物质通常可能被生物质吸附和保留。此外沙子和砂砾去除不是有效的。观察到生物质含有比通常高的部分的无机含量。废水处理厂当今不用于PHA生产，但是在本研究中进行评价，以便在实际的大规模设定中确立本发明原理的潜力证据。

实施例2. 在已用城市废水RBCOD增强PAP的生物质中，通过按需给料控制的PHA积累-方法I

使用从实施例1中描述的大规模HRAST过程收获的活性污泥(WAS)，在分批进料中积累PHA。在155 L不锈钢反应器中进行PHA积累，并且富含VFA的发酵的乳品加工流出物用于积累RBCOD (33.6 g/L可溶性COD，30.9 g-COD/L VFA和小于100 mg/L可溶性总氮)。使空气喷射至反应器，并且提供曝气(用于混合)以及在进料分批过程中所需的溶解氧(DO)。将富含VFA的发酵罐流出物的等分试样(330 mL)以受控的脉冲投料至反应器，其中基于生物质呼吸速率的变化调节投料间隔。相对于在开始积累过程之前测量的生物质内源呼吸速率，当生物质呼吸速率下降时，通过注射富含VFA的RBCOD，建立按需给料控制。DO浓度保持超过2 mg/L。反应器中的温度控制在15℃，并且在24小时后终止积累过程。

当采用这种方式进料时，在24小时后HRAST生物质呈现36 (32) % g-PHA/g-VSS (g-TSS)的估计的PHA积累潜力(PAP)(图4)。PHA为具有95重量%聚羟基丁酸酯和5重量%聚羟基戊酸酯的共聚物。图4中的趋势表明生物质在24小时时未达到PHA积累的最大能力。由趋势估计的生物质的能力为38 % g-PHA/g-VSS。

实施例3. 在已用城市废水RBCOD增强PAP的生物质中，通过按需给料控制的PHA积累-方法II

使用从实施例1中描述的大规模HRAST过程收获的活性污泥(WAS)，在分批进料中积累PHA。使用实验室规模反应器(Biostat? B plus，Startorius Stedim Biotech)。在25℃下，使用70 % (v/v)乙酸和30% (v/v)丙酸的VFA混合物，使积累进行24小时。基于VFA消耗所致的pH提高，建立按需给料控制。剂量控制的pH设定点定义为在第一富含VFA的进料输入之前，在开始积累过程时的初始pH。

当采用这种方式进料时，在重复的积累实验中，HRAST生物质呈现51 (46) %和43 (39) % g-PHA/g-VSS (g-TSS)的估计的24小时PHA积累潜力。PHA为具有标称67重量%聚羟基丁酸酯和33重量%聚羟基戊酸酯的共聚物。

实施例4. 使用参考评价方法，在生物质中的PHA-积累-潜力(PAP)

按照基本参考评价方法来评价PHA积累潜力(PAP)，应用该参考评价方法是为了比较来自不同来源或随着时间的逝去来自同一生物反应器的生物质样品。生物质抓取样品得自代表匮乏的条件，并且用自来水稀释至0.5 g-VSS/L。采用充分混合和曝气的进料分批反应器。取决于位置、可用的设备和/或聚合物表征的其它平行目的，分批进料反应器的工作体积为至少1 L并且至多500 L。溶解氧保持超过1 mg/L。温度和初始pH保持与生物质来源环境类似。在这些参考积累潜力实验中，将RBCOD的两个浓缩的等分试样加入到反应器中。乙酸钠的浓缩储液用作RBCOD。第一RBCOD输入确定实验的开始。第二RBCOD加入在6小时后或在由于基质消耗使溶解氧提高之后进行，以先到的为准。每一个RBCOD输入提供1 g-COD/L的步进提高。监测积累趋势，直至第二脉冲消耗(溶解氧提高)或24小时，以先到的为准。实际上，使用参考RBCOD来源进行这些标准积累，其中保持积累而没有基质耗尽保持至多24小时。

典型的结果示于图5，其中通过回归分析将PHA积累的趋势拟合为以下形式的经验函数：

其中，

PAP_t=相对t-小时积累的PHA积累潜力

A₀=估计初始PHA含量或PAP₀的经验常数

A_e=推断的PHA积累能力的经验常数

k=估计PHA积累的动力学的速率常数(h^-1)

按照以下方法进行生物质的PHA含量：通过GCMS建立的方法(Werker A，Lind P，Bengtsson S，Nordstr?m F，2008。Chlorinated-solvent-free gas chromatographic analysis of biomass containing polyhdroxyalkanoates(含有聚羟基烷酸酯的生物质的不含氯化溶剂的气相色谱分析)，Water Research 42:2517-2526)和/或通过校准FTIR建立的方法 (Arcos-Hernandez M，Gurieff N，Pratt S，Magnusson P，Werker A，Vargas A，Lant P。2010。Rapid quantification of intracellular PHA using infrared spectroscopy: An application in mixed cultures.(使用红外光谱法快速定量细胞内PHA：在混合培养物中的应用)。Journal of Biotechnology 150:372-379)。

由最佳拟合线，将估计的6小时(PAP₆)和24小时(PAP₂₄)积累潜力比较，作为g-PHA/g-VSS的分数或百分比。还考虑速率常数，以便确立生物质(意欲使其经受丰富)与流入废水混合的策略如何影响积累速率。

为了说明(参见实施例5，实验E2)，进行参考PAP评价，以测量来自大规模城市废水处理厂的活性污泥的PAP增强。生物质的抓取样品得自服务1400000人的人口当量的欧洲大型处理厂。按照本发明的方法，活性污泥抓取样品变为接种物，以接种两个实验室规模生物反应器(类似地处理城市废水)。对于得自大规模处理厂的活性污泥接种物，观察到各自的现存6小时和24小时PAP为7和17% g-PHA/g-VSS。操作一个SBR (SBRRF)用于使用3的流入废水与混合液混合比进行丰富。在另一SBR (SBRSF)中，施用0.5 mg-COD/g-VSS/分钟的估计的平均最大丰富RBCOD比进料速率。在应用本发明的方法21天后，两种SBR的PAP显著增强，对于SBRRF，PAP₆ (PAP₂₄)为31 (53)% g-PHA/g-VSS，对于SBRSF，为22 (43)% g-PHA/g-VSS(图5)。

实施例5. 使用不同的进料方案操作和由不同来源的活性污泥开始，在两个平行实验室规模序批反应器中处理城市废水。

平行操作两个实验室规模(4 L)序批反应器(SBR)以生物学处理城市废水。筛选流入废水，以在处置至实验室规模SBR之前除去悬浮固体。废水直接得自服务150个欧洲团体的下水道系统，共计1,700,000 m³/天的合并废水流速。用两种不同的活性污泥来源作为接种物开始，研究随着时间的逝去由两个实验室SBR收获的活性污泥所呈现的PAP。在第一轮的实验(E1)中，得自在实施例1中描述的HRAST的活性污泥用作起始培养物。在第二轮的实验(E2)中，使用由在实施例4中描述的常规的城市活性污泥废水处理厂抓取法取样的活性污泥。E1目的是使用已呈现增强的PAP的生物质开始，并且评价随着时间的逝去并且在更加受控的实验室设定中，使用本发明方法对PAP进行维持的范围。E2涉及使用具有低PAP的生物质开始，并且评价通过应用本发明的方法增强PAP的潜力。

两个反应器同样操作，其中标称固体停留时间(SRT)为1天，水力保留时间(HRT)为0.9小时。基于可溶性COD，对于每一个，施用6 g-COD/L/天的有机负载速率。用重复循环操作两个SBR，包括以下阶段：

对于E1，流入物进料和反应保持需氧。在SBR操作中仅有的区别特征是流入物供应的模式。SBR快速进料(SBRRF)以1 L/分钟的流速快速进料流入废水。SBR缓慢进料(SBRSF)以0.075 L/分钟的低得多的恒定流速进料。在流入物泵送之前，混合液体积为1 L。对于每个循环，加入3升废水。WAS排放体积等于57 mL/循环。通过自动开/关调节使溶解氧(DO)浓度保持在1-3 mg/L，并且在曝气关闭下，DO消耗的趋势用于估计氧摄取速率(OUR)。反应器的温度控制在20℃，并且监测pH但是不控制。

筛选的流入废水的平均浓度如下：420 mg-TSS/L，350 mg-VSS/L，640 mg-COD/L总COD，224 mg-COD/L可溶性COD，97 mg-N/L总氮，和12 mg-P/L总磷。在废水流入物中挥发性脂肪酸浓度可变，范围从不可检测到58 mg/L总VFA (在抓取样品中)。观察到未检测到醇(乙醇和甲醇)，并且各自假定小于5 mg/L，基于预期的仪器检测限度。

根据以下文献描述的需氧分批测试方法测定流入废水RBCOD浓度：Ekama，G.A.，Dold，P.L.，Marais，G.V(1986) Procedures for determining influent COD fractions and the maximum specific growth-rate of heterotrophs in activated-sludge systems(在活性污泥系统中，测定流入物COD部分和异养生物的最大比生长-速率的程序). Water Science and Technology，18 (6)，91-114。将废水过滤(GF/C，孔尺寸1.2 μm)，并且将所选的体积与来自上述4 L SBR中的一个的所选体积的混合液一起加入到曝气和搅拌的分批反应器(3 L)中。将混合液再循环(0.45 L/分钟)至配备溶解氧探针的呼吸测定计(0.3 L)。以限定的间隔，中断再循环，并且由溶解氧耗尽曲线估计氧摄取速率(OUR)。在E1期间，在若干时刻，通过这种方式评价RBCOD。发现，虽然估计的RBCOD可变(43-144 mg-COD/L)，但相对可溶性COD (SCOD)的RBCOD分数一致，并且平均为0.48 ± 0.04 g-COD/g-COD。因此，用(基于RBCOD)约3 g-COD/L/天的体积有机负载速率操作SBR。

基于这些RBCOD评价，在SBRRF和SBRSF中，RBCOD向生物质的估计的平均峰值供应速率分别为112和8 mg-COD/L/分钟。

对于E1，在77天内操作SBR，其中SBRRF和SBRSF在4升中用4.5和4.15 mg-VSS/L的平均相应的VSS浓度稳定。结果是，在1升中，在每一个循环开始时，对于SBRRF和SBRSF，RBCOD向反应器生物质的平均峰值比进料速率为6.2和0.5 mg-COD/g-VSS/分钟。

对于两种SBR，废水生物学处理性能类似，其中总COD的平均污染物降低70 %，可溶性COD降低65 %，总氮降低30 %，总磷降低40 %。

对于E1，对于两种SBR，在5个时刻(第22、36、43、66和77天)并且在同一天评价来自SBRRF和SBRSF的WAS的PAP。参考PAP评价方法(实施例4)在平行的4 L反应器中进行。趋势的典型结果示于图5 (实施例4)，其中如前所述通过回归分析拟合积累的趋势。

由最佳拟合线，比较估计的6小时(PAP₆)和24小时(PAP₂₄)积累潜力(% g-PHA/g-VSS)。此外，提供估计的速率常数(k，在实施例4中)来指示PHA积累动力学的任何系统偏移。SBRRF和SBRSF二者得到可比的结果。对于SBRRF，PAP₆和PAP₂₄估计分别为22±5和38±5 % g-PHA/g-VSS，而对于SBRSF，PAP₆和PAP₂₄估计分别为20±7和42±9 % g-PHA/g-VSS。观察到积累的速率常数可变。不过，积累速率常数然而更加可变，并且对于SBRSF，平均较低(0.08±0.06 h^-1)，其中随着时间的逝去，并且在操作36天后，速率常数以统计学显著的方式下降。对于SRBRF，平均估计的PAP速率常数为0.12±0.04 h^-1。

这些结果表明SBRRF和SBRSF均保持积累潜力。然而，与SBRRF比较，随着时间的逝去，SBRSF在保持类似的积累动力学方面受损。然而，来自E1的结果证实，在活性污泥处理城市废水中维持PAP的能力基于RBCOD而与VFA和醇含量无关。对生物质较大的刺激倾向于保持改进的积累动力学，只要以在另外方面不抑制的水平施用向生物质的流入废水负载即可。可用建立的方法评价抑制(实施例7)。丰富条件也可关于实现对生物质的最大比负载(maximum specific loading)来评价。0.5 mg-COD/g-VSS/分钟的平均估计的峰值RBCOD比负载足以在生物质中保持积累潜力。然而，结果表明，较高的RBCOD比负载速率倾向于提供较高的PHA积累动力学。

为了回答该峰值比进料速率是否足以在活性污泥生物质中增强PAP的问题，将平行的SBR倒空，清洁并且再次开始(E2)，但是现在用具有已知的7 (和17)% g-PHA/g-VSS的低PAP₆ (和PAP₂₄)的活性污泥接种物再次开始(实施例4)。稍微改变E1的操作条件，通过使3 L的流入废水以1 L/分钟进入SBRRF，但不混合和曝气，将SBRRF“倾倒进料”。一旦流入物完全引入，则开始曝气和混合。因此，在E2中SBRRF以3的流入物混合比操作(实施例7)。

21天操作后，对于SBRRF和SBRSF (图5，实施例4)，观察到PAP₆ (和PAP₂₄)为31 (53)和22 (43)% g-PHA/g-VSS (TSS)。在35天操作后，进行第二参考PAP评价。再现结果。SBRRF PAP₆ (PAP₂₄)为16 (41)% g-PHA/g-VSS。SBRSF PAP₆ (PAP₂₄)为15 (39)% g-PHA/g-VSS。

概括地说，在处理真正的城市废水RBCOD中通过证明增强的PAP，这些发现支持本发明。

实施例6. 在使用参考RBCOD来源刺激下，对于来自不同来源的活性污泥测量诱导的生物质呼吸。

评价生物质呼吸作为参考RBCOD(乙酸盐)浓度的函数。活性污泥(AS)混合液的样品得自中试规模(PSAS)、实验室规模(LSAS)和大规模(FSAS)废水处理过程。LSAS为在实施例5的实验E2中收获的生物质。类似地，FSAS为得自大规模处理厂的生物质，其用于在实施例5的实验E2中接种实验室反应器。

PSAS来自在瑞典操作的中试工厂规模设备，用于技术研究和开发和由处理高强度乳品行业废水生产具有增强的PAP的生物质。中试工厂由序批反应器(SBR)组成。SBR的工作体积为400 L，12小时循环操作。在SBR中的生物质保留通过重力沉降。标称废水水力保留时间(HRT)为1天，并且在1-8天之间，用各种污泥时期(固体保留时间或SRT)驱动该过程。施用1-2 g-RBCOD/L/d的有机负载速率，并且按需供应营养物质，以不限制在废水处理过程中的微生物生长。按照在实施例2中描述的方法，在6小时内，该活性污泥生物质常规地呈现超过55% g-PHA/g-VSS的显著的PHA积累潜力。

因此，PSAS、LSAS和FSAS选自这样的系统：其分别得到约55、40和17% g-PHA/g-VSS的预期PAP范围。

在最密切类似匮乏环境条件的生物反应器中，混合液抓取样品取自各个区域或时期。通过离心(4000×g，10分钟)，至少一式三份，由至少30 mL的混合液体积，收获生物质沉淀。将沉淀在105℃下干燥，称重，用于估计混合液总悬浮固体。随后按照标准方法估计VSS。相应的混合液子样品用自来水类似地稀释(5倍)，使得生物质浓度为1 g-VSS/L左右。将稀释的AS的等分试样(120 mL)放置在250 mL Schott烧瓶中，随后密封，将封闭的瓶子剧烈振动1分钟，用于预先曝气和建立接近饱和初始溶解氧(DO)浓度。通过加入小体积的浓缩储液(10 mg-COD/mL)，将一定质量的乙酸盐加入到新曝气的混合液中，并且将内含物快速混合并转移至120 mL标准BOD瓶。将DO电极浸没在瓶中，替代一些液体，并且密封容器内含物免于外部来源的溶解氧交换。通过磁力搅拌器使容器内含物保持充分混合。记录随着时间的逝去充分混合的BOD瓶中的溶解氧的耗尽(Hach HQ40d，具有LDO101探针)，并且由因而产生的耗尽曲线的线性斜率估计氧摄取速率(OUR)。通过衍生的稀释的活性污泥浓度使OUR归一化，估计SOUR。如下施用内源呼吸速率作为计算诱导的呼吸速率(SOUR_i)的参考：

其中

SOUR_i=相对内源呼吸诱导的呼吸

SOUR_o=观察到的作为基质浓度函数的SOUR

S=RBCOD-乙酸盐(基质)浓度

与前面我们已进行的实验一致，观察到生物质呼吸速率的刺激与经验模型良好拟合：

其中，

SOUR_i=诱导的比氧摄取速率

m=对于有机基质刺激的生物质响应因数

S=提供刺激的初始RBCOD浓度(mg-COD/L)

S_f=可测量的生物质响应的RBCOD浓度

S_m=实现最大呼吸的RBCOD浓度

SOUR_max=最大现存的比氧摄取速率

由代表宽范围的PAP的三种来源的混合液，我们观察到，在所有情况下通过100 mg-COD/L的RBCOD-乙酸盐浓度实现最大呼吸(图6)。此外，由这些所选的生物质来源，SOUR_max而随着PAP的程度而提高。这些数据表明，对于具有已知显著PAP的生物质(PSAS)，通过10 mg-COD/L的RBCOD-乙酸盐浓度，SOUR_i变得显著。预期乙酸盐提供代表生物质响应的参考，但是其它形式的RBCOD可能刺激生物质呼吸至不同的程度，这取决于适应的历史。

实施例7. 在使用初级流出物城市废水刺激下，对于来自不同来源的活性污泥测量诱导的生物质呼吸。

评价混合液生物质呼吸作为流入废水共混的函数。活性污泥(AS)混合液的样品得自实验室规模(LSAS)和大规模(FSAS)城市废水处理过程(参见实施例6)。评价两种不同的城市废水，并且将相应的AS混合液抓取样品充分适应施用的废水。用城市废水生产LSAS (实施例5)。在大规模欧洲城市处理厂中生产FSAS(实施例4)。用于该研究的废水样品已进行初步处理，包括沙子、砂砾和油脂去除。

活性污泥取样自生物反应器中最接近类似匮乏环境条件的各区域或时期。至少一式三份评价活性污泥抓取样品的VSS浓度。通过离心(4000×g，10分钟)收获来自一定体积的混合液(至少30 mL)的生物质沉淀。将沉淀在105℃下干燥，并且称重，以估计总悬浮固体浓度。随后按照标准方法估计VSS。使用自来水类似地稀释(5倍)混合液子样品，使得VSS浓度为1 g/L左右。选择稀释的混合液和废水的等分试样，使得在它们的组合中生产120 mL混合物。将这些生物质和基质体积放置在单独的250 mL Schott烧瓶中，将其密封，将两个密闭的瓶子平行剧烈振动1分钟，用于预先曝气和建立接近饱和初始溶解氧浓度二者。将生物质和废水体积合并，快速混合，并转移至120 mL BOD瓶。将DO电极浸没在瓶中，替代一些液体，并且密封容器内含物免于外部来源的溶解氧交换。通过磁力搅拌器充分混合容器内含物。监测随着时间的逝去在充分混合的BOD瓶中的溶解氧的耗尽(Hach HQ40d，具有LDO101探针)，并且由因而产生的耗尽曲线的线性斜率估计氧摄取速率(OUR)。作为混合比(D)的函数的诱导的生物质比呼吸(SOUR_i)参考测量内源呼吸速率，同时还与观察到的来自废水本身的OUR成比例校正：

其中，

SOUR_i=诱导的比氧摄取速率

OUR_o=观察到的作为混合比函数的OUR

OUR_w=对于流入废水观察到的OUR

D=施用的体积混合比(废水：混合液)

V_w=施用的流入废水体积

V_a=施用的活性污泥(混合液)体积

X_a=在体积V_a中的VSS浓度

f_a=在组合的体积中活性污泥的分数

f_w=在组合的体积中流入废水的分数

如预期的，具有已知的高PAP的LSAS(实施例4)当与流入废水组合时，呈现较高水平的呼吸(图7)。然而，在两种情况下，通过0.2的混合比已遇到显著高的呼吸(相对于最大水平)。施用于适应的LSAS的流入废水抓取样品说明存在抑制物质。由该具体的流入废水抓取样品，观察到高于1的混合比开始抑制LSAS活性。

实施例8. 具有悬浮的生物质生长和连续进料的实施例。

过程构型(图8)旨在通过实现确定的流入废水与再循环生物质混合比(实施例7)而刺激丰富。保持生物质的蓄积，以便在再循环流动需求中提供灵活性。示出具有冗余的在线监测点并且用于说明。以q₁的体积流速处置含有RBCOD的流入废水(1)至过程中。借助通过一个或多个鼓风机(2)供应并且喷射至系统的空气在所选的位置控制和保持需氧条件。使用技术(例如扫描光谱法)针对悬浮的和溶解的污染物含量在线监测流入废水品质(WQ₁)。将流入流q₁曝气，在线监测所得到的溶解氧水平(DO₁)。借助再循环流速q₁₁的调节，将流入物预先曝气的废水与从匮乏环境(11)处置的再循环的活性污泥以所选的混合比合并(3)。在线监测再循环悬浮固体(SS₁₁)和溶解氧(DO₁₁)浓度。将具有体积流动(q₄)的汇合混合液(4)与丰富刺激生物质浓度(X_a)处置至具有体积V_a的短的HRT充分混合的“接触”反应器A。可将反应器A曝气。在恰好反应器A之前或在反应器A内监测溶解氧水平(DO₄)，用于评价生物质呼吸速率，用于过程控制。在反应器A之后，混合液进入反应器B (5)，其优选为具有体积V_b的塞流式设计，并且用于从废水生物学去除至少RBCOD。将经处理的废水处置(6)至生物质分离，将经处理的废水流出物释放(7)。在流出物分离后，将浓缩的生物质引向(8)进一步增稠/储存反应器，可向该反应器供应足够的曝气，以恰好维持生物质。将来自储存中的最终生物质增稠的上清液倾析(9)，并且引向过程流入物(1)。再循环的生物质进入(10)反应器D中充分混合的完全需氧匮乏环境，并且以确定的流速(q₁₂)收获废活性污泥(12)，用于SRT控制。将收获的生物质引向污泥处理，在此期间PHA积累并且回收作为有附加值的产物。

参考实施例7，以下给出用于诱导丰富的混合比：

在反应器A中的估计的再循环的生物质浓度为：

在接触反应器A中的水力停留时间(θ_a)为：

忽略混合和管体积(3和4)，对于S₁的流入物RBCOD浓度，可如下估计施加的丰富进料速率(Q_S)和丰富比进料速率(q_S)：

忽略管体积，如下提供生物质丰富刺激趋势的度量：

如果在反应器C中边缘(marginally)保持的生物质活性可忽略，则基于活性需氧过程体积，如下估计污泥保留时间SRT (θ_x)：

实施例9. 具有生物膜生物质生长和连续进料的实施例。

过程构型(图9)旨在通过实现确定的流入废水与再循环生物质混合比(实施例7)而刺激丰富。可采用与示于实施例8的那些类似的方式施用在线监测，此处不包括。该过程包括用于丰富刺激和生物学处理至少废水RBCOD的充分混合的接触反应器(A)和主反应器(B)。生物质作为生物膜在曝气(10)的介质上生长，并且在反应器A和B内充分混合。这些类型的生物膜反应器通常称为移动床生物反应器(MBBR)。通过脱落的天然过程或借助对生物膜有目的地施用另外的剪切应力而发生的生物膜生物质的分离，处置(7)至分离单元过程，由该分离单元过程将经处理的流出物(8)排放，并且收获废弃的生物质(9)。将收获的生物质引向污泥处理，在此期间PHA积累并且回收作为有附加值的产物。将流入废水(1)预先曝气并引向MBBR-A (2)。对于分流(bypass)一部分直接至主反应器(3)的流入流，存在选项。例如，使用气升式(4)系统，将生物膜介质再循环至MBBR-A。通过气升式操作条件和通过将介质或液体转回MBBR-B (5)，可控制MBBR介质递送速率。因此，在该生物质(介质)再循环中，可采用旁路(bypass) (5)来从MBBR-B递送更多的介质和更少的液体体积到MBBR-A。因此，通过涉及旁路流的流速的组合控制流入废水与再循环流混合比。在MBBR-A接触反应器中丰富刺激后，将废水引向(6)主要MBBR-B反应器，用于至少RBCOD处理。在丰富刺激后，将生物膜介质也引向MBBR-B (6)，但是借助生物膜介质的选择性保留，在MBBR-A中介质的水力保留时间可与液体水力保留时间断开联系。因此，比起通过水力流动强加于MBBR-A的那些，包含介质生物膜的生物质可能暴露于丰富持续更长的时期。

实施例10. 具有悬浮的生物质生长和半连续进料的实施例。

过程构型(图10A)旨在通过实现确定的流入废水以再循环生物质混合比(实施例7)而刺激丰富。可采用与示于实施例8的那些类似的方式施用在线监测，此处不包括。序批反应器贯穿流入物进料(A)、废水处理(B)、生物质分离和流出物排放(C)、生物质再次悬浮和耗费(D)的阶段(图10B)而循环。将流入废水(1)预先曝气并且引向充分混合的丰富刺激接触反应器(E)。在流入物进料期间，混合液再循环(2)，以实现设定的流入物进料与再循环生物质混合比。汇合的再循环流(3)进入主反应器F。一旦已引入流入物并且至少在废水中的RBCOD经过处理(B)，可保持再循环。停止混合和曝气，以允许通过重力(C)进行流出物和生物质分离。在另一个实施方案中，还可使用溶解的空气浮选实现生物质分离。将经处理的流出物(4)排放(C)，并且再次曝气和混合(D)后，可收获废活性污泥(5)。将收获的生物质处置至污泥处理，在此期间PHA积累并且回收作为有附加值的产物。

实施例11. 通过平行目的为低残余污泥生产的城市废水处理，用于生产具有PHA-生产-潜力的生物质的说明性整个过程示意。

该实施例提供对于PHA生产和最终低残余污泥生产的目的，由城市废水处理生产活性污泥的概念上的过程示意(图11)。

在筛选和砂砾去除后，将流入物城市废水(1)引向事先的初步处理单元过程(2)。事先的初步处理实现去除容易和不容易沉降的颗粒状有机物质。单元过程(2)可能需要化学投料，例如氯化铁和阳离子聚合物(3)。氯化铁还将降低在废水中的溶解的磷水平。来自增强的初步处理的排放为初级固体浓缩物(6)以及具有显著降低的颗粒状有机物质但是具有剩余的可溶性RBCOD的流出物。将来自(2)的RBCOD流出物与来自(8)的返回(匮乏)活性污泥和任选的来自分离器(12)的富含VFA的侧流在(4)中合并。在(4)处流的混合设计为刺激驱动PHA储存代谢的生物质的不同的丰富响应。将生物质丰富响应驱向在高度负载生物反应器(5)中的匮乏。

“丰富”生物反应器(5)用于从废水除去RBCOD。因此，来自(5)的流出废水可考虑相对于流入物(1)有机含量进行处理。反应器(5)可为需氧、缺氧或厌氧设计。虽然该实施例用于作为“活性污泥”的悬浮微生物生长，但是原理容易适应使用生物膜技术的PHA-生产生物质的生长。在相同过程的另一个实施方案中，可提供生物反应器(5)用于丰富和匮乏代谢二者，这可例如，在适当设计的塞流式反应器构型中实现。

将来自(5)的生物质和废水分离(7)，并且将生物质处置至容纳储器(8)。容纳储器可提供进一步用于“匮乏”条件，并且可保持为需氧、微需氧、缺氧或基本上厌氧。作为在(5)、(7)和/或(8)中停留期间进行的微生物代谢的结果，作为在(4)和(5)中丰富活性的结果储存的PHA应被消耗。来自(7)的澄清的流出物可能需要在设计用于氮去除和更顽强的有机碳去除(9)的单元过程中进一步处理。移动床生物反应器技术充分适于这些目的。注意到，作为用于PHA-积累的生物质生产的过程和技术的实际情况，废水精细处理(wastewater treatment polishing) (9)不是必要的，但是可能需要掺入流方案(flow scheme)以满足视情况的特定的最终的流出物水品质标准。将经处理的城市废水排放(10)。

将初级固体浓缩物(6)发酵(11)，以得到富含RBCOD的液体流。虽然未显示，但由原料流入物收集的其它有机残余物例如但不限于油脂和脂肪，可能也有助于发酵罐负载。将发酵的流出物分离(12)，富含RBCOD的流出物可用于在返回生物质(4)中提高“丰富”响应。将来自(12)的保留的有机固体处置至厌氧消化(21)，导致固体破坏和降低的有机残余物(24)加上流出物(23)。在最终的排放之前，流出物(23)可能需要进一步处理，并且可能通过处置流出物(23)至精细处理单元过程(9)实现该目的。由厌氧消化(21)生产生物气(25)。

通过(5)生产的过量生物质可由(8)废弃，这么做，可控制活性污泥固体保留时间。过量生物质与RBCOD的来源(14)在积累过程(13)中合并，其中RBCOD用于实现生物质的PHA-积累-潜力。来自(13)的生物质富含PHA，并且在分离(15)后引向PHA回收系统(17)。流出物(16)将相对于(14)的RBCOD含量进行处理。

PHA回收过程(17)将需要化学输入(18)，并且需要以下活动：富含PHA的生物质干燥，PHA提取，和残余的非PHA有机热解或焚化。来自(17)输出为PHA和富含无机P的灰分。因此来自(8)的生物质将最终有助于(17)中的能量回收而消耗。

实施例12. 通过平行目的为低残余污泥生产的的城市废水处理，用于生产具有PHA-生产-潜力的生物质的说明性过程示意。

在该实施例(图12)中，过程流程与示于实施例11的相同。然而，在这种情况下，初步处理(2)不是“事先的”，意味着在反应器(5)之前，仅可容易沉降的有机固体从流入物(1)除去。在活性生物质中刺激丰富响应的负载条件下，生物反应器(5)除去可溶性RBCOD。同时生物质用于通过物理吸附(所谓的接触稳定)去除流入物COD的胶态部分。将具有吸附的颗粒状物质的该生物质引向反应器(8)，其中提供保留时间，以实现吸附的颗粒状物质的水解和生物降解。在(8)中的保留时间也使得在生物质中实现最终的匮乏条件。因此，从(8)再循环返回至(5)的生物质来自匮乏代谢活性，并且刺激进入新的丰富循环。因此反应器(5)实现生物质的丰富刺激，生物学去除可溶性RBCOD，和物理去除不容易沉降的流入物颗粒COD。