柠檬酸—沼气双发酵耦联系统创建及关键技术研究

发布时间：2017-12-07 18:03

  本文关键词：柠檬酸—沼气双发酵耦联系统创建及关键技术研究

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【摘要】：柠檬酸(2-羟基丙烷-1,2,3-三羧酸)是一种重要的有机酸,被广泛的应用于食品、饮料、化工和医药等领域。目前,生产1 t柠檬酸会产生约8 m3的发酵性废水,这些废水具有高化学需氧量(COD,15000-20000 mg·L~(-1))和低p H值(4.5-4.8)等特点,不经过处理直接排放会对环境造成严重的危害。大多数柠檬酸厂主要是通过“厌氧-好氧消化”这一工艺对废水进行处理,但是该方法存在设备占地大,投资和运行费用高,出水仍然达不到国家工业废水排放标准等问题,给企业带来了很大的经济和环保负担。针对上述问题,参考“发酵生态工程学”理论,本论文建立了“柠檬酸-沼气双发酵耦联系统”;并从厌氧消化和柠檬酸发酵两个层面对耦联系统的可行性进行了验证;明确了会对耦联系统稳定性造成影响的主要抑制物质种类,对其影响机制进行了初步研究并建立了相应的系统优化方案。主要研究内容和结果如下:(1)基于发酵生态工程学原理,建立了柠檬酸-沼气双发酵耦联系统。在该系统中,木薯和玉米作为原料经过粉碎配料、液化和灭菌后用于柠檬酸发酵,产生的柠檬酸发酵废水经过厌氧消化处理和水资源化的深度处理后,作为工艺用水回用到下一批次的柠檬酸发酵过程中,从而消除柠檬酸发酵废水的排放并减少水资源的消耗。研究发现,厌氧消化出水不经过资源化处理直接回用于柠檬酸发酵,会造成柠檬酸发酵产量与去离子水发酵相比降低34.1%,高浓度的氨氮、钠和钾等离子是厌氧消化出水中影响柠檬酸发酵的主要抑制性物质。采用001×7强酸型阳离子交换树脂对厌氧消化出水进行处理,处理后的水回用到柠檬酸发酵。循环实验进行了十批,平均柠檬酸产量与去离子水发酵持平,厌氧消化过程中平均COD去除率达到94.7±0.8%。这表明循环过程中柠檬酸发酵和厌氧消化反应器的运行都是稳定并且高效的,同时也证明了柠檬酸-沼气双发酵耦联系统在技术上是可行的。(2)初步建立了柠檬酸-沼气双发酵耦联系统中抑制物质的去除策略。采用紫外诱变技术筛选到了对厌氧消化出水中200 mg·L~(-1)钠离子和300 mg·L~(-1)钾离子具有耐受性的黑曲霉菌株A.niger MZ-11,并采用空气吹脱处理对厌氧消化出水中的高浓度氨氮和部分可沉淀金属离子进行去除。处理过的厌氧消化出水回用于柠檬酸发酵,循环实验进行了十批,厌氧消化处理稳定并且高效,平均甲烷产率达到292.3±25.1 m L·g-1 TCODremoved,与正常沼气发酵持平;平均柠檬酸产量为145.9±3.4 g·L~(-1),比去离子水发酵(149.6 g·L~(-1))水平降低了2.5%。进一步研究发现,高浓度钠离子是厌氧消化出水中对柠檬酸发酵造成有害影响的主要抑制因子,循环过程中其浓度最高达到1000 mg·L~(-1)。(3)考察了厌氧消化出水中高浓度钠离子对柠檬酸-沼气双发酵耦联系统的影响。柠檬酸发酵过程中加入1000 mg·L~(-1)的钠离子会影响黑曲霉细胞的正常代谢,造成培养基p H快速下降,黑曲霉细胞分泌的糖化酶和异麦芽糖酶的活力受到影响,部分糊精和异麦芽糖不能有效水解,总的可发酵糖浓度减少,柠檬酸产量显著下降。在柠檬酸发酵初期(4-24 h)流加氢氧化钠溶液,减缓培养基p H的下降速率,可以有效消除高浓度钠离子带来的抑制作用,柠檬酸发酵产量显著增加,达到去离子水发酵水平。(4)探究了厌氧消化出水中挥发性脂肪酸对柠檬酸-沼气双发酵耦联系统的影响。循环过程中,厌氧消化出水的挥发性脂肪酸主要是乙酸和丙酸,它们对柠檬酸发酵具有潜在的危害。正常条件下(初始p H 4.5),乙酸和丙酸对柠檬酸发酵的临界抑制性浓度分别为480和296 mg·L~(-1)。高浓度的乙酸和丙酸会造成柠檬酸发酵的延滞期变长,黑曲霉细胞活力下降甚至裂解死亡,柠檬酸产量显著降低。乙酸和丙酸对柠檬酸发酵的影响与环境p H有关,p H越低,抑制作用越强。因此,循环过程中需要确保厌氧消化系统高效稳定运行,以控制厌氧消化出水中的挥发性脂肪酸浓度在合适的水平内。当乙酸和丙酸等挥发性脂肪酸浓度出现积累时,可以适当提高柠檬酸发酵的初始p H,以减轻其对整个耦联系统的影响。(5)针对厌氧消化出水中氨氮和钠离子等影响耦联系统稳定性的抑制因子,提出了相应的优化方案并对其工艺可行性和稳定性进行了验证。采用空气吹脱方法去除厌氧消化出水中会污染电渗析膜的Ca2+和Mg2+,处理过的厌氧消化出水进入到电渗析系统,在操作电压15 V、进料水流速50 m L·min-1条件下,Na~+、NH4+等离子的去除率均超过90%,同时淡水的回收率达到95%。产生的淡水回用到柠檬酸发酵,并在发酵开始时加入130 U·g-1糖化酶,厌氧消化出水中抑制因子对柠檬酸发酵的有害影响被完全消除,柠檬酸产量达到去离子水发酵水平。对空气吹脱和电渗析技术处理厌氧消化出水的工艺可行性和稳定性进行了验证。循环实验进行了十批,平均柠檬酸产量达到142.4±2.1 g·L~(-1),与去离子水发酵(141.6 g·L~(-1))基本持平;同时,厌氧消化操作稳定并且高效,平均甲烷产率为297.7±19.8 m L·g-1 TCODremoved,达到正常沼气发酵水平。(6)建立了厌氧消化出水回用标准,确保耦联系统的长期稳定运行。作为柠檬酸发酵工艺用水的厌氧消化出水需要满足以下条件:(1)电导率≤750μS·cm-1;(2)Na~+≤200 mg·L~(-1);(3)K+≤300 mg·L~(-1);(4)氨氮≤50 mg·L~(-1);(5)乙酸≤480 mg·L~(-1);(6)丙酸≤296 mg·L~(-1)。
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ921.1;S216.4

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本文编号：1263246