聚羥基脂肪酸脂（PHA）是新一代污水處理概念中非常有發(fā)展前途的生物質(zhì)基化學(xué)產(chǎn)品，本書系統(tǒng)性地介紹了利用活性污泥混合菌群合成PHA的技術(shù)，包括基于活性污泥定向產(chǎn)酸技術(shù)的碳源制備、半連續(xù)流定向產(chǎn)酸過程、活性污泥合成PHA的充盈-匱乏模式；重點(diǎn)介紹了基于物理-生態(tài)雙選擇壓的動態(tài)間歇排水瞬時補(bǔ)料（ADD）模式，在該模式下建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)優(yōu)化模型與微生物新陳代謝模型，并拓展活性污泥在ADD模式下利用混合碳源及餐廚垃圾合成PHA的應(yīng)用領(lǐng)域。
本書可供高等院校市政工程、環(huán)境工程及相關(guān)專業(yè)的師生以及從事相關(guān)專業(yè)的科研人員、工程師閱讀和參考。
第1章 緒論 1
1.1 聚羥基脂肪酸酯概述 1
1.2 PHA的組成、特性及分類 2
1.3 PHA的常見合成途徑 4
1.3.1 活性污泥合成PHA 4
1.3.2 細(xì)菌發(fā)酵法合成PHA 4
1.3.3 基因工程法合成PHA 5
1.3.4 化學(xué)合成PHA 6
1.3.5 利用極端微生物生產(chǎn)PHA 6
1.4 活性污泥合成PHA的原理概述 7
1.4.1 市政污泥的資源化利用 7
1.4.2 活性污泥合成PHA的主要工藝運(yùn)行策略 9
1.4.3 活性污泥產(chǎn)PHA菌群富集過程的影響因素 13
1.4.4 PHA合成過程的代謝模型研究進(jìn)展 20
第2章 基于活性污泥定向產(chǎn)酸技術(shù)的碳源制備技術(shù) 23
2.1 低成本碳源合成PHA研究現(xiàn)狀 23
2.1.1 污泥發(fā)酵液合成PHA的應(yīng)用 23
2.1.2 污泥-粗甘油共發(fā)酵產(chǎn)酸可行性分析 24
2.1.3 污泥發(fā)酵產(chǎn)酸 24
2.2 污泥發(fā)酵液合成PHA工藝原理及試驗(yàn)裝置 27
2.2.1 污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸原理 27
2.2.2 實(shí)驗(yàn)裝置 28
2.2.3 PHA合成工藝設(shè)計 35
2.3 參數(shù)計算方法 35
2.3.1 VFA總產(chǎn)率 35
2.3.2 發(fā)酵液酸化率 36
2.3.3 PHA產(chǎn)率 36
2.3.4 PHB、PHV相對含量 36
2.4 廢棄碳源共發(fā)酵產(chǎn)酸效率與底物降解規(guī)律分析 36
2.4.1 污泥-甘油共發(fā)酵的產(chǎn)酸效果 36
2.4.2 污泥-甘油/污泥-淀粉共發(fā)酵的產(chǎn)酸效果 38
2.4.3 β-環(huán)糊精對污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸效果的影響 41
2.4.4 溶解性蛋白質(zhì)變化規(guī)律 42
2.4.5 氨氮變化規(guī)律 45
2.4.6 溶解性多糖變化規(guī)律 47
2.5 VFA組分分析與微生物群落結(jié)構(gòu)變化分析 49
2.5.1 末端發(fā)酵液VFA組分分析 49
2.5.2 VFA中奇數(shù)碳變化規(guī)律 51
2.5.3 污泥-甘油發(fā)酵實(shí)驗(yàn)微生物群落變化分析 53
2.5.4 污泥-甘油/污泥-淀粉共發(fā)酵實(shí)驗(yàn)微生物群落變化分析 54
2.5.5 β-環(huán)糊精強(qiáng)化污泥水解實(shí)驗(yàn)微生物群落結(jié)構(gòu)變化分析 56
2.6 基于響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)的多參數(shù)定向產(chǎn)酸調(diào)控 57
2.6.1 厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸丙酸比例的調(diào)控 57
2.6.2 厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸奇數(shù)碳VFA比例的優(yōu)化 59
2.6.3 污泥厭氧發(fā)酵液中溶解性蛋白質(zhì)含量 61
第3章 半連續(xù)流定向產(chǎn)酸及合成PHA 研究 63
3.1 半連續(xù)流工藝運(yùn)行參數(shù)設(shè)計 63
3.2 半連續(xù)流工藝定向產(chǎn)酸調(diào)控效果 64
3.2.1 不同工況條件下的產(chǎn)酸能力對比 64
3.2.2 不同工況條件下發(fā)酵產(chǎn)物中VFA組分對比 66
3.3 半連續(xù)流工藝大分子有機(jī)物降解規(guī)律 67
3.4 半連續(xù)流工藝微生物群落結(jié)構(gòu)變化規(guī)律 68
3.4.1 奇數(shù)碳VFA型發(fā)酵微生物群落結(jié)構(gòu)變化規(guī)律 68
3.4.2 偶數(shù)碳VFA型發(fā)酵微生物群落結(jié)構(gòu)變化規(guī)律 69
3.5 半連續(xù)流的污泥發(fā)酵液合成PHA研究 71
3.5.1 發(fā)酵液預(yù)處理 71
3.5.2 合成PHA過程中底物消耗規(guī)律分析 71
3.5.3 不同VFA組分的底物對PHA合成效果的分析 73
第4章 活性污泥合成PHA 的充盈-匱乏模式研究 76
4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計 76
4.1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)設(shè)計 76
4.1.2 好氧顆粒污泥的培養(yǎng) 78
4.1.3 好氧顆粒污泥模式合成PHA的研究 80
4.2 好氧瞬時補(bǔ)料結(jié)合沉降性能篩選模式對混合菌群合成PHA影響 82
4.2.1 PHA合成菌富集階段的充盈-匱乏篩選作用 82
4.2.2 PHA合成菌富集階段的沉降性能篩選作用 84
4.2.3 PHA富集階段污泥特性與底物消耗 86
4.2.4 好氧顆粒污泥運(yùn)行模式下的PHA合成能力 86
4.3 不同篩選模式下PHA合成能力 88
第5章 基于物理-生態(tài)雙選擇壓力的動態(tài)間歇排水瞬時補(bǔ)料新工藝 94
5.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計 94
5.1.1 活性污泥在ADD工藝下合成PHA富集階段的實(shí)驗(yàn)設(shè)計 94
5.1.2 活性污泥在ADD工藝下PHA合成階段間歇補(bǔ)料實(shí)驗(yàn)設(shè)計 95
5.1.3 活性污泥在ADD工藝下PHA富集階段的影響因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計 95
5.2 動態(tài)間歇排水瞬時補(bǔ)料工藝概述 97
5.2.1 ADD工藝運(yùn)行模式的典型周期 97
5.2.2 反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行的指示參數(shù) 98
5.3 利用ADD工藝運(yùn)行模式下的活性污泥合成PHA快速富集指標(biāo)及效果評價 99
5.3.1 反應(yīng)器啟動階段 99
5.3.2 污泥濃度與污泥指數(shù) 101
5.3.3 富集階段ADD工藝下的底物吸收與PHA合成 103
5.3.4 合成階段ADD工藝下的PHA合成能力 105
5.3.5 基于混菌擴(kuò)大培養(yǎng)內(nèi)嵌的改進(jìn)型三段式PHA合成工藝研究 106
5.4 活性污泥在ADD工藝下合成PHA富集階段的工藝優(yōu)化 108
5.4.1 底物濃度 108
5.4.2 周期 110
5.4.3 溫度 114
5.4.4 VFA組分分析 116
5.4.5 生物固體停留時間 117
5.4.6 微生物群落結(jié)構(gòu)變化規(guī)律 119
5.5 沉降性能篩選作用的指示指標(biāo)研究 120
5.6 基于CFD模擬的混合菌群合成PHA工藝篩選機(jī)制 124
5.6.1 計算流體力學(xué)簡述 124
5.6.2 CFD模擬的混合菌群概況 127
5.6.3 模擬結(jié)果與分析 132
第6章 ADD 工藝下活性污泥ANN 參數(shù)優(yōu)化與代謝模型 135
6.1 基于ANN模型的反應(yīng)器多參數(shù)敏感性分析與優(yōu)化 136
6.1.1 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計 136
6.1.2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的建立與多參數(shù)敏感性分析 138
6.2 基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的反應(yīng)器多參數(shù)敏感性建立分析與優(yōu)化 142
6.3 PHA合成過程的常見代謝模型的研究進(jìn)展 144
6.4 ADD工藝下混合菌群合成PHA的代謝模型 145
6.4.1 混合菌群合成PHA的代謝模型的建立 145
6.4.2 混合菌群在PHA富集階段的代謝模型 147
6.4.3 混合菌群在PHA合成階段的代謝模型 151
第7章 活性污泥在ADD 工藝下利用混合碳源合成PHA 的研究 153
7.1 餐廚垃圾處置概況 154
7.1.1 混合菌群利用餐廚垃圾產(chǎn)酸液合成PHA概述 154
7.1.2 混合菌群利用餐廚垃圾產(chǎn)酸液合成PHA技術(shù)研究 154
7.2 活性污泥利用混合碳源合成PHA 154
7.2.1 混合碳源條件下PHA富集階段的研究 155
7.2.2 混合碳源條件下PHA合成階段的研究 157
7.3 活性污泥利用混合碳源合成PHA的代謝模型與PHA含量預(yù)測 159
7.3.1 活性污泥利用混合碳源合成PHA的代謝模型 159
7.3.2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對活性污泥利用混合碳源合成PHA的預(yù)測 162
7.4 基于GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的餐廚垃圾合成PHA工藝產(chǎn)量預(yù)測 164
7.4.1 GA (遺傳算法) 基本原理 164
7.4.2 遺傳算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(GA-BP) 基本原理 165
7.4.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)樣本選取 166
7.4.4 樣本歸一化與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 166
7.4.5 遺傳算法設(shè)定與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測結(jié)果分析 167
第8章 餐廚垃圾產(chǎn)酸——生物合成PHA 技術(shù)研究 169
8.1 實(shí)驗(yàn)裝置 171
8.1.1 好氧動態(tài)排水裝置 171
8.1.2 序批式馴化反應(yīng)器 172
8.1.3 PHA批次反應(yīng)裝置 172
8.1.4 餐廚垃圾產(chǎn)酸反應(yīng)器 173
8.2 實(shí)驗(yàn)材料及取樣方式 174
8.2.1 試驗(yàn)試劑 175
8.2.2 對ADD及SBR反應(yīng)器進(jìn)行周期取樣 176
8.2.3 PHA合成批次試驗(yàn)取樣 176
8.2.4 動力學(xué)參數(shù)定義與計算 176
8.3 瞬時鹽度沖擊對混菌合成PHA影響及優(yōu)化ADD模式篩選產(chǎn)PHA菌群177
8.3.1 瞬時鹽度沖擊對混菌批次階段合成PHA影響 178
8.3.2 瞬時鹽度沖擊對不同進(jìn)水負(fù)荷馴化菌群合成PHA的影響 178
8.4 優(yōu)化ADD模式進(jìn)水負(fù)荷快速篩選高產(chǎn)PHA菌群 181
8.4.1 試驗(yàn)運(yùn)行條件 181
8.4.2 ADD工藝運(yùn)行模式不同進(jìn)水負(fù)荷啟動特性 181
8.4.3 ADD工藝運(yùn)行模式不同進(jìn)水負(fù)荷篩選混菌合成PHA能力比較 183
8.5 不同鹽度對低進(jìn)水負(fù)荷SBR馴化反應(yīng)器富集效果的影響 184
8.5.1 試驗(yàn)運(yùn)行條件 184
8.5.2 不同鹽度下污泥胞外聚合物的變化 184
8.5.3 不同鹽度下活性污泥理化特性的變化 186
8.6 不同鹽度對低進(jìn)水負(fù)荷馴化混菌合成PHA能力的影響 191
8.6.1 不同鹽度下富集期PHA動態(tài)合成變化 191
8.6.2 不同鹽度下合成階段最大產(chǎn)PHA能力比較 196
8.6.3 不同鹽度下富集菌群耐瞬時鹽濃度沖擊性能比較 198
8.7 不同鹽度對高進(jìn)水負(fù)荷SBR馴化反應(yīng)器富集效果的影響 201
8.7.1 試驗(yàn)運(yùn)行條件 201
8.7.2 不同鹽度下污泥胞外聚合物的變化 201
8.7.3 不同鹽度下活性污泥理化特性的變化 203
8.8 不同鹽度對高進(jìn)水負(fù)荷馴化混菌合成PHA能力的影響 208
8.8.1 不同鹽度下富集期PHA動態(tài)合成的變化 208
8.8.2 不同鹽度下合成階段最大產(chǎn)PHA能力比較 210
8.8.3 不同鹽度下富集菌群耐瞬時鹽濃度沖擊性能比較 213
8.8.4 不同鹽度下高/低兩種進(jìn)水負(fù)荷富集菌群合成PHA能力比較 214
8.8.5 不同鹽度下高/低兩種進(jìn)水負(fù)荷富集菌群的微生物群落結(jié)構(gòu)比較 215
第9章 實(shí)際餐廚垃圾厭氧產(chǎn)酸及合成PHA 研究 222
9.1 實(shí)際餐廚垃圾厭氧產(chǎn)酸工藝 222
9.1.1 餐廚垃圾及接種污泥 222
9.1.2 餐廚垃圾產(chǎn)酸發(fā)酵液性質(zhì)及預(yù)處理 223
9.2 不同鹽度下混菌利用實(shí)際餐廚垃圾酸化產(chǎn)物合成PHA研究 223
9.2.1 不同鹽度對于產(chǎn)酸液碳源利用的影響 224
9.2.2 不同鹽度對于混合菌群菌體生長的影響 224
9.2.3 不同鹽度對于PHA合成的影響 226
參考文獻(xiàn) 228
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