利用混合菌群活性污泥法实现生物可降解塑料PHA的合成

生态环境2005,14(6):967-971http://www.jeesci.comEcologyandEnvironmentE-mail:editor@jeesci.com基金项目：国家建设部2005年科学技术项目（05-K2-8）；北京市教育委员会科技发展计划重点项目（KZ200410016017）；北京市留学人员科技活动择优资助项目（2005）作者简介：郝晓地（1960－），男，教授，博士，主要从事可持续环境生物技术研究，发表国外SCI期刊论文20余篇、国内核心期刊论文40余篇。收稿日期：2005-06-21利用混合菌群活性污泥法实现生物可降解塑料PHA的合成郝晓地，朱景义，曹秀芹北京建筑工程学院可持续环境生物技术研发中心，北京100044摘要：PHA是一种生物可降解塑料，可从污水有机物中合成。文章在简要说明现阶段工业生产PHA情况的基础上，总结了利用混合菌种活性污泥法从污水有机物中合成PHA的优点。重点对两种从污水中生产PHA工艺——厌氧-好氧活性污泥工艺和好氧瞬时供料工艺进行了介绍，并给出了相应工艺流程。通过使用廉价的有机底物可以使PHA的生产价格降低到原来的一半，大约为每公斤4欧元左右。文章还讨论了控制工艺运行条件对PHA合成的重要性，并说明了不同底物组成对合成PHA性质的影响。关键词：聚-β-羟基烷酸(PHA)；活性污泥；可生物降解塑料；厌氧-好氧工艺；好氧瞬时供料工艺；间歇式反应器(SBR)中图分类号：X783.2文献标识码：A文章编号：1672-2175（2005）06-0967-05众所周知，随着经济和社会的发展白色污染变得越来越为严重。目前，塑料垃圾以每年2.5×107t的速度在自然界中积累，其填埋、焚烧等处理过程中表现出了许多影响环境的弊端。因此，加强可降解塑料的研究与开发，争取在工艺上取得突破并应用于实际，生产出具有生物可降解性、且价格合理的塑料制品，对于环境保护和可持续发展都具有重要的现实意义。聚-β-羟基烷酸(PHA)是一种可由微生物合成的热塑性塑料，与聚丙烯具有类似的性质。但PHA具有生物可降解性和生物可相容性等独特优点，且其合成原料为糖和脂肪酸等可再生资源。所以，PHA的微生物合成能有效地缓解资源紧张和环境危机的现状，其开发应用前景十分乐观，许多国家已把它列为重点发展项目。本文对目前PHA生产的国际情况做一综述；重点介绍通过污水处理中的活性污泥法利用混合菌群生产PHA的两种研发工艺；最后着重讨论不同底物的组成对合成PHA性质的影响。通过污水中的有机物质合成PHA，是利用生物技术实现变废为宝的有效途径。一方面，通过反应降解了有机环境污染物质，实现了环境保护。另一方面，把有机环境污染物质转化为具有良好利用价值的环境友好塑料，这对于可持续发展具有重大现实意义，可以说是实现环保和可持续发展的最优之路。1PHA生产情况现阶段PHA的合成在工业生产中已经可以实现，如美国Monsanto公司和英国ICI公司均以微生物发酵方式生产生物可降解塑料。这些生产工艺大多是利用纯种微生物，生产原料主要是葡萄糖、丙酸等价格昂贵的有机底物。在工艺运行过程中，要求灭菌消毒，保证发酵系统无杂菌存在。因此，这种PHA生产方式与以石油为原料的传统塑料生产工艺相比成本较高；每公斤PHA生产成本约为9欧元，而每公斤合成塑料仅为1欧元[1]。目前PHA大多应用于医学领域（如，骨骼替代品等），而在日常生活中的大量使用还不太现实。为了降低PHA的生产价格，近几年来各国对利用混合菌种和多种底物合成PHA的活性污泥法进行了大量的实验研究。活性污泥法具有许多优点：1）在驯化过程中微生物的选择基于生态原理。因此菌种稳定，这就为PHA的工业化生产创造了前提；2）混合菌种对工艺的适应性强，工艺控制简单，无需灭菌消毒提供纯种环境，从而降低了工艺运行成本；3）混合菌种可以适应多种不同底物，从而扩大了底物的选择范围，为混合底物应用于生产打下良好基础；4）PHA的生产原料为工业废水甚至市政污水，来源广、价格低，避免了大量购买有机碳源底物的支出，从而降低了PHA的生产价格。所以，活性污泥法与纯菌种单底物生产PHA相比更具有现实意义。由上可见，现阶段及未来的技术研发发展方向应该是从纯菌种单底物的生产工艺向混合菌种多底物的工艺过渡。通过使用廉价的有机底物可以使PHA的生产价格降低到原来的一半，大约为每公斤4欧元左右[2]。968生态环境第14卷第6期（2005年11月）2厌氧-好氧活性污泥工艺本工艺始于上世纪70年代，被称为强化生物除磷工艺（enhancedbiologicalphosphateremovalprocess，EBPR），主要用于磷的去除。2.1工艺原理EBPR系统中废水从厌氧区进入，微生物在好氧区和厌氧区之间循环。在厌氧条件下，聚磷微生物(PAOs