塑料制品是人们日常生活和工农业生产的必需品。广为使用的石油基塑料造成了严重的环境污染,消耗了大量不可再生资源。聚羟基烷酸酯(Polyhydroxyalkanoates, PHA)是一种生物制备型的环境友好塑料,可完全生物降解,具有和传统塑料相近的物化性质和加工特性,所需底物为可再生有机质。因此PHA是石油基塑料的理想替代品,具有广阔应用前景。纯菌种合成PHA是目前工业化制备PHA的主流。高昂的生产成本制约了PHA作为日常用品得到广泛应用。此外,市政废水处理厂每天产生大量剩余污泥,污泥处置费用高。选择廉价的、可再生且来源广泛的废物作为PHA合成用底物、利用活性污泥中的混合菌群作接种体合成PHA、优化PHA合成工艺的运行条件,都有利于大幅降低PHA生产成本,实现废物和剩余污泥的减量化和资源化。本研究的目的即为同时实现PHA生产低成本化,以及废物及剩余污泥资源化。主要研究内容和结论如下:通过剩余污泥利用人工废水合成PHA的小试研究,考察了影响PHA产量、底物转化率和PHA单体组分含量的工艺参数。结果表明,好氧、高碳氮比、多次投加碳源底物、弱碱性条件有助于提高PHA产量。在此条件下,活性污泥合成PHA的产量与纯菌种合成PHA的产量及物化性质接近,且PHA合成产率高于纯菌种。通过工艺调控,活性污泥可以合成含有特定单体组分的PHA。好氧时,短链脂肪酸中碳原子的数目决定聚(-β-羟基丁酸-co-β-羟基戊酸)(Poly(β-hydroxybutyrate-co-β-hydroxyvalerate),PHBV)中的单体组分。溶解氧浓度(dissolved oxygen, DO)降低、pH值升高,PHBV共聚物中的羟基戊酰含量(hydroxyvalerate%, HV%)会增加,且与碳源类型无关;污泥来源、碳源与氮磷浓度比的变化会影响羟基烷酸(hydroxyalkanoate, HA)单体组分的含量。结合上述试验结果,采用批式好氧动态底物投加工艺,对剩余污泥作为接种体利用污泥消化液中的挥发性有机酸(volatile fatty acids, VFAs)以及食品废液合成PHA进行了工艺优化研究。通过投加镁盐形成鸟粪石沉淀,污泥消化液中过量的氮磷得到去除和回收,以提高污泥消化液的碳氮比。碱性条件和较高的消化温度可以提高污泥消化液中的VFAs产量以及氨氮去除率。污泥消化液中VFAs的主要成分是乙酸。利用剩余污泥消化液中的VFAs合成的PHA的最大产量可达到56.5%(占VSS比重)。活性污泥和纯菌种利用麦芽废物作碳源合成的PHA产量比其它种类的食品废液都高。随后对剩余污泥利用实际废液合成的PHA产物进行了物化加工性质分析。为了优化活性污泥合成PHA的单体组分,在总结了纯菌种合成PHA的代谢机理的基础上,模拟了活性污泥合成PHA的生化代谢途径。为了预测活性污泥合成PHA的产量和产率,通过改进活性污泥三号模型(Activated Sludge Modeling 3, ASM3模型)和优化PHA合成工艺参数,建立了活性污泥合成PHA的反应动力学模型。并通过小试试验验证了该模型的准确性。研究结果表明,污泥在厌氧时摄取乙酸会合成HV的代谢机理是,通过“琥珀酰-CoA→丙酰-CoA”反应,部分乙酸转化为丙酰-CoA,成为PHBV中HV的前体物。外界工艺条件改变,会影响活性污泥中的混合菌群的结构和代谢途径,进而改变活性污泥合成的HA单体组分。通过试验验证,活性污泥合成PHA的动力学模型可以较为准确地预测PHA的产量、产率、底物转化率和细胞生长量。剩余污泥利用污泥消化液合成PHA工艺的工业化,有助于实现实际废液和剩余污泥的资源化,推动PHA作为普通包装材料得到应用,具有良好的经济效益和社会价值。相对于纯菌种以及活性污泥利用人工废水合成PHA,剩余污泥利用污泥消化液合成PHA工艺,可以节约的成本包括:合成PHA的碳源成本、PHA合成反应构筑物建造和运行成本、剩余污泥处置成本、微生物筛选/富集培养成本,同时得到鸟粪石结晶沉淀副产品。