聚羟基脂肪酸脂（PHA）是新一代污水处理概念中非常有发展前途的生物质基化学产品，本书系统性地介绍了利用活性污泥混合菌群合成PHA的技术，包括基于活性污泥定向产酸技术的碳源制备、半连续流定向产酸过程、活性污泥合成PHA的充盈-匮乏模式；重点介绍了基于物理-生态双选择压的动态间歇排水瞬时补料（ADD）模式，在该模式下建立人工神经网络参数优化模型与微生物新陈代谢模型，并拓展活性污泥在ADD模式下利用混合碳源及餐厨垃圾合成PHA的应用领域。
本书可供高等院校市政工程、环境工程及相关专业的师生以及从事相关专业的科研人员、工程师阅读和参考。
第1章 绪论 1
1.1 聚羟基脂肪酸酯概述 1
1.2 PHA的组成、特性及分类 2
1.3 PHA的常见合成途径 4
1.3.1 活性污泥合成PHA 4
1.3.2 细菌发酵法合成PHA 4
1.3.3 基因工程法合成PHA 5
1.3.4 化学合成PHA 6
1.3.5 利用极端微生物生产PHA 6
1.4 活性污泥合成PHA的原理概述 7
1.4.1 市政污泥的资源化利用 7
1.4.2 活性污泥合成PHA的主要工艺运行策略 9
1.4.3 活性污泥产PHA菌群富集过程的影响因素 13
1.4.4 PHA合成过程的代谢模型研究进展 20
第2章 基于活性污泥定向产酸技术的碳源制备技术 23
2.1 低成本碳源合成PHA研究现状 23
2.1.1 污泥发酵液合成PHA的应用 23
2.1.2 污泥-粗甘油共发酵产酸可行性分析 24
2.1.3 污泥发酵产酸 24
2.2 污泥发酵液合成PHA工艺原理及试验装置 27
2.2.1 污泥厌氧发酵产酸原理 27
2.2.2 实验装置 28
2.2.3 PHA合成工艺设计 35
2.3 参数计算方法 35
2.3.1 VFA总产率 35
2.3.2 发酵液酸化率 36
2.3.3 PHA产率 36
2.3.4 PHB、PHV相对含量 36
2.4 废弃碳源共发酵产酸效率与底物降解规律分析 36
2.4.1 污泥-甘油共发酵的产酸效果 36
2.4.2 污泥-甘油/污泥-淀粉共发酵的产酸效果 38
2.4.3 β-环糊精对污泥厌氧发酵产酸效果的影响 41
2.4.4 溶解性蛋白质变化规律 42
2.4.5 氨氮变化规律 45
2.4.6 溶解性多糖变化规律 47
2.5 VFA组分分析与微生物群落结构变化分析 49
2.5.1 末端发酵液VFA组分分析 49
2.5.2 VFA中奇数碳变化规律 51
2.5.3 污泥-甘油发酵实验微生物群落变化分析 53
2.5.4 污泥-甘油/污泥-淀粉共发酵实验微生物群落变化分析 54
2.5.5 β-环糊精强化污泥水解实验微生物群落结构变化分析 56
2.6 基于响应曲面实验的多参数定向产酸调控 57
2.6.1 厌氧发酵产酸丙酸比例的调控 57
2.6.2 厌氧发酵产酸奇数碳VFA比例的优化 59
2.6.3 污泥厌氧发酵液中溶解性蛋白质含量 61
第3章 半连续流定向产酸及合成PHA 研究 63
3.1 半连续流工艺运行参数设计 63
3.2 半连续流工艺定向产酸调控效果 64
3.2.1 不同工况条件下的产酸能力对比 64
3.2.2 不同工况条件下发酵产物中VFA组分对比 66
3.3 半连续流工艺大分子有机物降解规律 67
3.4 半连续流工艺微生物群落结构变化规律 68
3.4.1 奇数碳VFA型发酵微生物群落结构变化规律 68
3.4.2 偶数碳VFA型发酵微生物群落结构变化规律 69
3.5 半连续流的污泥发酵液合成PHA研究 71
3.5.1 发酵液预处理 71
3.5.2 合成PHA过程中底物消耗规律分析 71
3.5.3 不同VFA组分的底物对PHA合成效果的分析 73
第4章 活性污泥合成PHA 的充盈-匮乏模式研究 76
4.1 实验设计 76
4.1.1 实验装置与实验设计 76
4.1.2 好氧颗粒污泥的培养 78
4.1.3 好氧颗粒污泥模式合成PHA的研究 80
4.2 好氧瞬时补料结合沉降性能筛选模式对混合菌群合成PHA影响 82
4.2.1 PHA合成菌富集阶段的充盈-匮乏筛选作用 82
4.2.2 PHA合成菌富集阶段的沉降性能筛选作用 84
4.2.3 PHA富集阶段污泥特性与底物消耗 86
4.2.4 好氧颗粒污泥运行模式下的PHA合成能力 86
4.3 不同筛选模式下PHA合成能力 88
第5章 基于物理-生态双选择压力的动态间歇排水瞬时补料新工艺 94
5.1 实验设计 94
5.1.1 活性污泥在ADD工艺下合成PHA富集阶段的实验设计 94
5.1.2 活性污泥在ADD工艺下PHA合成阶段间歇补料实验设计 95
5.1.3 活性污泥在ADD工艺下PHA富集阶段的影响因素实验设计 95
5.2 动态间歇排水瞬时补料工艺概述 97
5.2.1 ADD工艺运行模式的典型周期 97
5.2.2 反应器稳定运行的指示参数 98
5.3 利用ADD工艺运行模式下的活性污泥合成PHA快速富集指标及效果评价 99
5.3.1 反应器启动阶段 99
5.3.2 污泥浓度与污泥指数 101
5.3.3 富集阶段ADD工艺下的底物吸收与PHA合成 103
5.3.4 合成阶段ADD工艺下的PHA合成能力 105
5.3.5 基于混菌扩大培养内嵌的改进型三段式PHA合成工艺研究 106
5.4 活性污泥在ADD工艺下合成PHA富集阶段的工艺优化 108
5.4.1 底物浓度 108
5.4.2 周期 110
5.4.3 温度 114
5.4.4 VFA组分分析 116
5.4.5 生物固体停留时间 117
5.4.6 微生物群落结构变化规律 119
5.5 沉降性能筛选作用的指示指标研究 120
5.6 基于CFD模拟的混合菌群合成PHA工艺筛选机制 124
5.6.1 计算流体力学简述 124
5.6.2 CFD模拟的混合菌群概况 127
5.6.3 模拟结果与分析 132
第6章 ADD 工艺下活性污泥ANN 参数优化与代谢模型 135
6.1 基于ANN模型的反应器多参数敏感性分析与优化 136
6.1.1 人工神经网络模型设计 136
6.1.2 人工神经网络模型的建立与多参数敏感性分析 138
6.2 基于人工神经网络模型的反应器多参数敏感性建立分析与优化 142
6.3 PHA合成过程的常见代谢模型的研究进展 144
6.4 ADD工艺下混合菌群合成PHA的代谢模型 145
6.4.1 混合菌群合成PHA的代谢模型的建立 145
6.4.2 混合菌群在PHA富集阶段的代谢模型 147
6.4.3 混合菌群在PHA合成阶段的代谢模型 151
第7章 活性污泥在ADD 工艺下利用混合碳源合成PHA 的研究 153
7.1 餐厨垃圾处置概况 154
7.1.1 混合菌群利用餐厨垃圾产酸液合成PHA概述 154
7.1.2 混合菌群利用餐厨垃圾产酸液合成PHA技术研究 154
7.2 活性污泥利用混合碳源合成PHA 154
7.2.1 混合碳源条件下PHA富集阶段的研究 155
7.2.2 混合碳源条件下PHA合成阶段的研究 157
7.3 活性污泥利用混合碳源合成PHA的代谢模型与PHA含量预测 159
7.3.1 活性污泥利用混合碳源合成PHA的代谢模型 159
7.3.2 人工神经网络对活性污泥利用混合碳源合成PHA的预测 162
7.4 基于GA-BP神经网络的餐厨垃圾合成PHA工艺产量预测 164
7.4.1 GA (遗传算法) 基本原理 164
7.4.2 遗传算法优化BP神经网络(GA-BP) 基本原理 165
7.4.3 BP神经网络样本选取 166
7.4.4 样本归一化与神经网络的结构设计 166
7.4.5 遗传算法设定与神经网络预测结果分析 167
第8章 餐厨垃圾产酸——生物合成PHA 技术研究 169
8.1 实验装置 171
8.1.1 好氧动态排水装置 171
8.1.2 序批式驯化反应器 172
8.1.3 PHA批次反应装置 172
8.1.4 餐厨垃圾产酸反应器 173
8.2 实验材料及取样方式 174
8.2.1 试验试剂 175
8.2.2 对ADD及SBR反应器进行周期取样 176
8.2.3 PHA合成批次试验取样 176
8.2.4 动力学参数定义与计算 176
8.3 瞬时盐度冲击对混菌合成PHA影响及优化ADD模式筛选产PHA菌群177
8.3.1 瞬时盐度冲击对混菌批次阶段合成PHA影响 178
8.3.2 瞬时盐度冲击对不同进水负荷驯化菌群合成PHA的影响 178
8.4 优化ADD模式进水负荷快速筛选高产PHA菌群 181
8.4.1 试验运行条件 181
8.4.2 ADD工艺运行模式不同进水负荷启动特性 181
8.4.3 ADD工艺运行模式不同进水负荷筛选混菌合成PHA能力比较 183
8.5 不同盐度对低进水负荷SBR驯化反应器富集效果的影响 184
8.5.1 试验运行条件 184
8.5.2 不同盐度下污泥胞外聚合物的变化 184
8.5.3 不同盐度下活性污泥理化特性的变化 186
8.6 不同盐度对低进水负荷驯化混菌合成PHA能力的影响 191
8.6.1 不同盐度下富集期PHA动态合成变化 191
8.6.2 不同盐度下合成阶段最大产PHA能力比较 196
8.6.3 不同盐度下富集菌群耐瞬时盐浓度冲击性能比较 198
8.7 不同盐度对高进水负荷SBR驯化反应器富集效果的影响 201
8.7.1 试验运行条件 201
8.7.2 不同盐度下污泥胞外聚合物的变化 201
8.7.3 不同盐度下活性污泥理化特性的变化 203
8.8 不同盐度对高进水负荷驯化混菌合成PHA能力的影响 208
8.8.1 不同盐度下富集期PHA动态合成的变化 208
8.8.2 不同盐度下合成阶段最大产PHA能力比较 210
8.8.3 不同盐度下富集菌群耐瞬时盐浓度冲击性能比较 213
8.8.4 不同盐度下高/低两种进水负荷富集菌群合成PHA能力比较 214
8.8.5 不同盐度下高/低两种进水负荷富集菌群的微生物群落结构比较 215
第9章 实际餐厨垃圾厌氧产酸及合成PHA 研究 222
9.1 实际餐厨垃圾厌氧产酸工艺 222
9.1.1 餐厨垃圾及接种污泥 222
9.1.2 餐厨垃圾产酸发酵液性质及预处理 223
9.2 不同盐度下混菌利用实际餐厨垃圾酸化产物合成PHA研究 223
9.2.1 不同盐度对于产酸液碳源利用的影响 224
9.2.2 不同盐度对于混合菌群菌体生长的影响 224
9.2.3 不同盐度对于PHA合成的影响 226
参考文献 228
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