膜技术在柠檬酸—沼气双发酵耦联系统中的应用研究

发布时间：2020-08-13 17:30

【摘要】：为解决柠檬酸生产过程中的发酵废水污染问题,本实验室提出并建立的柠檬酸-沼气双发酵耦联系统,实现了废水的循环利用,从而减少了废水排放量和新鲜水用量。但是,该工艺并仍存在一些问题,例如为保证空气吹脱效果,需要对厌氧消化液进行升温至55℃并保温,此过程消耗大量热能,并且去除氨氮的功能与电渗析有所重叠;电渗析设备设计缺陷存在潜在问题;电渗析浓水会发生结垢现象严重等。本论文为解决耦联工艺中存在这些问题,对目前的耦联工艺进行优化,革除空气吹脱单元后,引入超滤及其预处理工序,并结合电渗析技术,对抑制因子进行有效去除,进一步提高耦联工艺的稳定性和可行性。文章主要的研究内容如下:(1)通过对模拟溶液极限电流密度的测定,证实厌氧消化液在同等操作条件下,只要实际电流密度低于相同浓度模拟溶液的电流密度最高值,就不会发生极化现象,电渗析脱盐过程可以正常进行。对电渗析操作条件操作电压、膜面流速和浓淡水体积比进行优化,结合脱盐率、HCO_%~的电流效率、能耗以及氨氮去除率,得到的最优操作条件为:操作电压为10 V,膜面流速为2.61 cm·s~(-1)和浓淡水体积比为1:4。当浓水pH值维持在6.5时,浓水LSI值始终低于临界结垢点(LSI=1),结垢现象得以消除。(2)100 kD和200 kD管式超滤膜处理厌氧消化液,透过液浊度均高于电渗析进水要求(浊度最高值3 NTU),证明厌氧消化液在进超滤前需要进行预处理,以降低透过液浊度。综合浊度去除效果、超滤透过液通量以及潜在的膜污染,选择石灰软化作为超滤的预处理方式,使得超滤透过液浊度达到电渗析进水要求。对超滤操作压强和膜面流速进行优化,考察全回流模式下膜通量大小和变化趋势,得到最佳操作压强和膜面流速分别为0.20 MPa和4.023 m·s~(-1)。软化后的厌氧消化液经电渗析脱盐处理后,浓水的LSI值小于0,结垢现象消除。电渗析淡水作为配料水,回用至柠檬酸发酵,其柠檬酸产量为134.67±4.72 g·L~(-1),基本与去离子水发酵水平持平。(3)在为期8批的循环验证实验中,第2-8批的柠檬酸产量基本与空白水平一致。沼气发酵表现正常,平均COD去除率达95%以上。厌氧反应器的有机容积负荷、水力停留时间和甲烷产率的平均值分别为1.17±0.18 kg·m~(-3)·d~(-1)、9.29±0.69 d和276.2±37.4mL·g~(-1) TCOD_(去除)。软化后的厌氧消化液总硬度基本降至200 mg·L~(-1)附近,达到软化要求。超滤透过液平均浊度为2.7±0.3 NTU,高于电渗析正常进水浊度标准(1 NTU),但没有超过电渗析最大进水浊度(3 NTU)。经超滤和电渗析处理后厌氧消化液,与补充的去离子水混合后,最终电导率基本达到回用标准。浓水LSI值均低于临界结垢点(LSI=1),无结垢现象发生。循环过程中厌氧消化液的主要金属离子浓度没有发生明显的累积现象。由于软化、超滤和电渗析处理过程中均存在水损失,循环耦联工艺中厌氧消化液平均总回收率为54.1±6.5%。
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ028.8;X797
【图文】：

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江南大学硕士学位论文目前，柠檬酸行业主要采用厌氧-好氧-深度处理法(图 1-1)对废水进行生物处先通过厌氧单元处理高浓度有机物废水，具有高效、低耗等优势，并且该过沼气经脱硫处理后用于发电产热，具有一定的经济价值[26]；然后，好氧单元单元降解后的废水，但是存在处理效率低、占地广以及运行成本高等缺点[27]；单元处理后的废水，仍达不到国家排放标准，还需要进入城市污水厂进行深标排放。因此，整个工艺的经济性和处理效率尚不能让人满意。

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第一章绪论量较直接回用均有所提高。但是，上述的这些方法在一定程度上提高了废水回用后的柠檬酸产量，但是活性炭吸附、氢氧化钠碱处理和离子交换树脂再生都会消耗大量的无机试剂，其高昂的生产成本限制了其在工业规模上的应用。1.2 柠檬酸-沼气双发酵耦联工艺1.2.1 柠檬酸-沼气双发酵耦联工艺的建立本研究室建立了柠檬酸-沼气双发酵耦联工艺(图 1-2)[38]。在该耦联工艺中，发酵废水经厌氧消化处理后，产生有经济效益的沼气和待回用的厌氧消化液。厌氧消化液经深度处理后作为配料水，回用到柠檬酸发酵，实现废水的循环利用，减少废水排放。

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江南大学硕士学位论文时，则不会超过临界抑制浓度。金属离子主要来源于发酵原料(木薯和玉米)、少部分来自 pH 调节所消耗的酸碱试剂以及有机物降解，其对柠檬酸发酵的抑制作用显著。柠檬酸生产菌株黑曲霉对其中的单价金属离子 Na+和 K+最为敏感，耐受的最高浓度分别为200 mg·L-1和 300mg·L-1。过量的 Na+导致柠檬酸发酵前期 pH 下降过快，糖化酶和异麦芽糖酶活性因此下降[43]。这会抑制发酵培养基中糊精的降解，从而使得可利用总糖浓度下降，最终导致柠檬酸产量的降低。针对上述的抑制因子，采用空气吹脱去除氨氮和挥发性脂肪酸[44]，采用电渗析脱除属离子[45]，使得厌氧消化液中抑制因子经处理后，其浓度均低于临界抑制浓度。徐健等人[46]通过 10 批循环发酵(图 1-3)，抑制因子得到很好地去除，柠檬酸发酵基本与空白水平持平，验证了该耦联工艺的稳定性和可行性。

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