（发酵工程专业论文）三步法处理丙酮丁醇发酵废水及回用研究.pdf

摘要 摘要 丁醇、丙酮是重要的平台化合物和潜在的生物燃料，在石油资源日益枯竭、石油价 格不断上涨的背景下，利用可再生资源发酵法生产丙酮丁醇具有广阔的发展前景，但丙 酮丁醇( a b e ) 发酵会产生大量废水，其总溶剂产量仅占发酵液体积的2 ，每生产1 吨溶剂至少产生5 0 吨废水，成为制约丙酮丁醇发酵产业发展的主要原因之一，因此研 究开发丙酮丁醇发酵废水的处理和回用技术，对促进丙酮丁醇发酵行业的健康发展具有 现实意义。 本研究对丙酮丁醇发酵废水采用絮凝沉淀、酵母菌发酵处理、活性炭吸附三步法 处理技术，废水化学耗氧量( c o d 订) 从2 3 6 0 0m g l 降到2 7 6m g l ，c o d 口去除率达9 8 8 ， 达到国家二类污染物三级排放标准。 絮凝沉淀以分子量( m w ) 1 2 0 0 万的聚丙烯酰胺为絮凝剂，通过正交实验确定最 佳絮凝条件为：絮凝剂添加量1 2 0m g l ，废水p h5 0 ，絮凝温度3 5 ，2 5 0r m i n 搅拌 1 0m i n ，静止絮凝5 0m i n 。在此条件下，c o d 盯去除率达到4 4 0 。 假丝酵母通过高浓度废水耐受性驯化，发酵时间从4 8h 减少到3 6h ，发酵能力也有 较大提高；采用二级种子培养，发酵时间再次缩短到2 8h 。通过单因素分析和正交实验， 确定发酵条件为：接种量1 2 5 ，发酵液p h5 0 ，装液量5 0m l 2 5 0m l ，发酵温度3 7 ， 摇床转速1 8 0r m i n ，发酵时间2 8h 。经酵母发酵处理，废水c o d 汀降为降为1 6 5 2m g l ， 同时可得到7 6 5g l 的饲料蛋白，实现了废水资源化。 通过对粉状活性炭和颗粒状活性炭吸附性能和经济可行性分析，发现使用颗粒状活 性碳柱处理最为经济有效。实验表明，2 5g 活性炭装柱，径高比1 ：5 ，废水流速2 5 0m l h ， 出水效果较好。 本研究还对不同处理程度的废水回用到丙酮丁醇发酵进行研究，结果表明，经絮 凝处理的废水，1 0 回用比，可连续回用l o 次；经假丝酵母发酵处理的废水全回用一 次；经三步法综合处理的废水连续全回用4 次，总溶剂和丁醇产量稳定。采用三步法综 合处理再连续全回用的废水处理工艺，污水排放量可以减少8 0 ，同时大幅度减少发酵 用水量。 关键词：丙酮丁醇发酵，c o d c r ，絮凝沉淀，假丝酵母，活性炭吸附，废水回用 a b s t r a c t a b s t r a c t b u t a n o la n da c e t o n ea r ei m p o r t a n tf l a t f 0 1 t nc h e m i c a l sa n dp o t e n t i a lb i o f u e l t h er e s e r v e o fp e t r o l e u mi s b e c o m i n gl e s sa n dl e s s , a n dt h ep r i c e i s b e c o m i n gh i g h e ra n dh i g h e r p r o d u c t i o no fb u t a n o la n da c e t o n e b y r e n e w a b l er e s o u r c e sf e r m e n t a t i o nh a sw i d e d e v e l o p m e n tp r o s p e c t ，t h ek e yp o i n to f i ti sl a r g ep r o d u c t i o no fw a s t e w a t e r , t h es o l v e n to n l y a c c o u n tf o r2 o ft h ef e r m e n t a t i o nb r o t h t h i sm e a n si tw i l lp r o d u c ef i f t yt o no fw a s t e w a t e r w h e np r o d u c eo n et o ns o l v e n t i ti si m p o r t a n tt or e s e a r c ho ft r e a t m e n ta n dr e u s i n go ft h e w a s t e w a t e rf o rt h ew e l ld e v e l o p m e n to fa c e t o n e - b u t a n o lf e r m e n t a t i o n n ew a s t e w a t e ro fa c e t o n e b u t a n o lf e r m e n t a t i o nt r e a t e dw i t hf l o c c u l a t i o np r e c i p i t a t i o n y e a s tf e r m e n t a t i o na n da c t i v a t e dc a r b o na d s o r p t i o nw a ss t u d i e di nt h i sp a p e r t h ec o d e ro f w a s t e r w a t e rr e d u c e df r o m2 3 6 0 0m g lt o2 7 6m g l ，a n dt h er e m o v a lr a t er e a c h e d9 8 8 ， w h i c ha c c o r d e dt oc o u n t r i e sc a t e g o r yi ie m i s s i o ns t a n d a r d sf o rt h r e e 1 e v e lp o l l u t a n t s u s e dp o l y a c r y l a m i d ea sf l o c c u l a n t 。w h o s em ww a sm o r et h a n12m i l l i o n d e t e r m i n e d t h eo p t i m a lc o n d i t i o n sf o rt h ef l o c c u l a t i o nb yo r t h o g o n a le x p e r i m e n t n l er e s u l t sw e r ea s f o l l o w s ，a d d i n g ：f l o c c u l a n t12 0m g l ，p h5 0 ，t e m p e r a t u r e3 5 ，s t i r r i n gs p e e d2 5 0r m i nf o r 10m i n ，s t a t i cf l o c c u l a t i o nf o r5 0m i n u n d e rt h e s ec o n d i t i o n s ，t h ec o d e rr e m o v a lr a t e r e a c h e d4 4 0 a f t e rh i g hc o n c e n t r a t i o n so fw a s t ew a t e rd o m e s t i c a t i o n ，t h ef e r m e n t a t i o nt i m eo fc a n d i d a r e d u c e df r o m4 8ht o3 6h ，f e r m e n t a t i o nc a p a c i t yh a si m p r o v e dg r e a t l y n ef e r m e n t a t i o nt i m e f u r t h e rr e d u c e dt o2 8hw i t l ls e c o n d a r ys e e d e m p l o yo fs i n g l e f a c t o ra n a l y s i sa n do r t h o g o n a l e x p e r i m e n tt od e t e r m i n ef e r m e n t a t i o nc o n d i t i o n s ，a n dt h er e s u l t sw e r ea sf o l l o w s ：i n o c u l u m 12 5 ；p h 5 0 ，v o l u m eo fm e d i u m5 0m l 2 5 0m l ，f e r m e n t a t i o nt e m p e r a t u r e3 7 ，s p e e do f s h a k e r18 0r m i n ，f e r m e n t a t i o nt i m e2 8h t h ec o d e ro ff e r m e n t a t i o nw a s t e r w a t e rb y c a n d i d ar e d u c e dt o16 5 2m g l ，a n d7 6 5g lf e e dp r o t e i nw a so b t a i n e da tt h es a m et i m e a n a l y s i sf o ra d s o r p t i o np e r f o r m a n c eo fa c t i v ec a r b o np o w d e ra n dg r a n u l a ra c t i v a t e d c a r b o na n de c o n o m i cf e a s i b i l i t y ，a n df o u n dt h a td e a l i n gw i t l lg r a n u l a ra c t i v a t e dc a r b o nw a s t h em o s tc o s t e f f c c t i v e t h eo p i t i m a lc o n d i t i o nw a so b t a i n e d c o l u m n ( 2 0 m m 3 0 0 m m ) l o a d e dw i t h2 5ga c t i v a t e dc a r b o n ，r a t i oo fd i a m a t e rt oh e i g h t e rm o r et h a n1 ：5 ，f l o wr a t e2 5 0 m l ，1 1 u s i n go fd i f f e r e n td e g r e e s o fw a s t e w a t e ro fa c e t o n e b u t a n o lf e r m e n t a t i o nw a sa l s o s t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ew a s t e w a t e rt r e a t e db yf l o c c u l a n tc a nb er e u s e df o r10t i m e s w i t h10 r e u s ep r o p o r t i o n t h ew a s t e w a t e rt r e a t e db yc a n d i d af e r m e n t a t i o nc a nb er e u s e df o r o n et i m ew i t hf u l lr e u s ep r o p o r t i o n ，t h ew a s t e w a t e rt r e a t e db yt h r e e - s t e pt r e a t m e n tc a nb e r e u s e df o rf o u rt i m e sw i t l l 如1 1r e u s ep r o p o r t i o na n dt h et o t a lo u t p u to fb u t a n o la n dt o t a l s o l v e n tw e r es t a b l e i nt h et e c h n o l o g yo ft h et h r e e - s t e pt r e a t m e n ta n df o l l o w i n gf u l l b a c k r e u s i n g o fw a s t e w a t e r , w a s t e w a t e re m i s s i o n sc a nr e d u c e8 0 ，w h i l es i g n i f i c a n t l yr e d u c i n g c o n s u m p t i o no fw a t e rf o rf e r m e n t a t i o n k e y w o r d s ：a b ef e r m e n t a t i o n ，c o d 。，f l o c c u l a t i o np r e c i p i t a t i o n ，c a n d i d a ，a c t i v a t e dc a r b o n a d s o r p t i o n ，w a s t e w a t e rr e u s e i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是苯人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名：日 期： 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件乖磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存，汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定 签名： 导师签名： 日 期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 中国水资源及其污染状况 1 1 1 中国水资源概况 随着工农业的发展，三废( 废气，废水，废渣) 的排放量和化肥、农药的使用量急 剧增加，使污染不断加重，环境日益恶化，导致庄稼受害、家畜( 禽) 中毒，公害病频 发，癌症和怪病发病率增加，人类健康水平普遍下降。这使人们加重了对环境的危机感， 促使人们去重视环境问题，研究环境污染，寻找治理污染的途径和方法，以确保一个 安全舒适的生态环境【l 】。 我国水资源具有以下几个特点 2 1 ：( 1 ) 是全国降水在空间和时间的分布上极不平衡， 南方水多，北方水少，差别悬殊，历史上水旱灾害极为频繁；( 2 ) 是北方有的地区人均 占有水资源相当于世界上最干旱的国家，水丰富的南方却常常发生季节性干旱，使依赖 水灌溉的主要农作物水稻及一些经济作物用水困难；( 3 ) 是污水排放量大、处理率低， 全国年排污水3 6 3 亿吨，其中8 0 未经处理，使江河湖海和地下水严重污染，水质性缺 水现象越来越严重；( 4 ) 是缺乏科学的用水定额和管理，生产耗水量大，水的浪费相当 普遍，全国工业用水重复利用率仅有4 5 ，万元工业产值耗水量远远高于工业发达国家， 农业灌溉有效利用率一般只有2 5 至4 0 。所以，我国面临的水资源形势非常严峻。 水资源是量与质的高度统一，2 1 世纪我国面临着水量的危机，同时水质危机更加严 重，甚至因水质问题所导致的水资源危机大于水量危机。从总体上看，我国水资源严重 匮乏，缺水程度逐年加重，范围不断扩大，同时，水环境严重污染，恶化的势头正在加 剧，形势十分严峻。水环境污染呈现出从支流向干流延伸、从城市向农村蔓延、从地表 向地下渗透、从陆地向海洋发展的趋势，几乎到了“有河皆枯，有水皆污”的程度。水 污染严重影响工农业生产，严重威胁人民群众的健康和生存环境，任其发展下去，后果 将是灾难性的。随着我国城市化、工业化进程的加快，城市生活污水、工业废水大量增 加，不下决心治理水污染，不仅生态环境会继续恶化，加剧水资源的供需矛盾，而且还 将制约经济发展，影响社会稳定。现在，有的地方水产养殖、渔业生产遭受严重损失， 有的知名大企业因污染而被迫停产，有些地方群众饮用水源被严重污染，河里流的是污 水，农田灌溉是污水，甚至个别地方群众喝的都是污水。加强水污染防治，坚持可持续 发展，改善群众的用水质量，保持社会稳定，己经到了刻不容缓的地步f l 】。 1 1 2 工业废水对水资源的污染 目前中国每年废水排放量为4 0 0 多亿吨左右，而每吨污水能够污染大于它十四倍的 天然水。中国工业废水不但排放量大且污染浓度高，究其原因，主要是相当数量的企业 生产技术落后，设备陈旧、管理水平低、中小型企业居多( 约占9 0 ) 、资源能源浪费严 重、耗水量大，单位产品耗水量及排污量与发达国家相比差距甚远。 工业废水的特点是种类繁多，成份复杂。主要有以下几个特点： ( 1 ) 造纸工业是中国水污染的大户。2 0 0 5 年造纸废水量为3 1 8 亿吨，占全国工业 江南大学硕士学位论文 废水量的1 6 1 。 ( 2 ) 染料工业废水年排放2 3 亿吨，多为高浓度有机废水，主要含难降解的苯、萘、 葱、醌等多环烃类有机化合物，c o d 值高，偏酸性，高色度，超标约几千至上万倍。 ( 3 ) 医药工业废水年排放2 3 亿吨，c o d 约1 5 万吨，平均处理率小于3 0 。特 别是生产抗菌素的废水。 ( 4 ) 高浓度有机废水污染问题迫在眉睫。高浓度有机废水的c o d 在6 0 0 0 - 2 0 0 0 0 m g l 之间，b o d 在3 0 0 0 1 0 0 0 0m g l 之间。主要污染来源是食品酿造业、制糖、制革 及屠宰肉联厂等。 ( 5 ) 其它一些行业，如：水银电解食盐工业废水中含有汞；重金属冶炼工业废水中 含有各种重金属；电镀工业废水中含有氰化物和各种重金属；煤焦和石油炼制工业废水 中含有酚；农药制造工业废水中含有各种农药等，这些工业废水都有毒，对人类的健康 具有很大的危害。 1 1 3 高浓度有机废水的处理 高浓度有机废水一般是指由造纸、皮革及食品等排出的，c o d 在2 0 0 0m g l 以上 的废水。这些高浓度的有机废水，含有大量的碳水化合物、脂肪、蛋白质、纤维素等有 机物，如果直接排放，会造成水体富营养化，目前正日益受到国内外的关注。高浓度有 机废水的处理一直是废水处理行业的热点，因为这类废水在我国分布非常广泛，而且水 量也非常大。同时，高浓度有机废水处理也一直是废水处理行业的难点。活性污泥法容 积负荷低，一般来说不太适合处理高浓度有机废水。相对来说，以u a s b 为代表的厌氧 处理法具有较高的容积负荷能力，在高浓度有机废水的处理上发挥了很大作用，但是该 方法具有一定的选择性，在某些情况下不能形成颗粒污泥，使其应用受到一定的限制。 对于像高含油废水、高蛋白废水、高硫废水、高氮废水等高浓度有机废水，无论是活性 污泥还是厌氧处理工艺都不太理想【3 l 。 1 2 丙酮丁醇发酵及其废水污染 随着石油资源的日益枯竭，国际原油价格的节节攀升，新能源的研究越来越受到人 们的重视。丙酮和丁醇是两种非常重要的化工原料和工业生产过程中的溶剂，而且丁醇 可以作为汽车燃料使用，其热值要超过汽油1 4 , 5 】。丁醇的生产方法分为化学法和发酵法两 种，虽然现在还是以化学法为主，但是随着油价的上扬，发酵法生产丁醇的优势日益显 现，目前国内已有多家公司投巨资上马发酵法生产丙酮和丁醇项目。 1 2 1 丙酮丁醇发酵的生产工艺 传统的丙酮一丁醇发酵主要以可再生的生物质资源( 淀粉，糖蜜等) 为原料，通过丙酮 丁醇菌种在一定的条件下进行分批发酵，得到含2 左右总溶剂的发酵液，再先后经蒸 馏和分馏得到产物丙酮、丁醇和乙醇。其生产工艺流程图见图1 1 。 2 第一章绪论 5 图i - i丙酮一丁醇发酵工艺流程图 f i g 1 1t e c h n o l o g i c a lp r o c e s so f a b ef e r m e n t a t i o n 1 2 2 丙酮丁醇发酵废水处理研究进展 丙酮一丁醇发酵最终发酵液中的溶剂含量在2 3 ，其余9 7 9 8 都是废水，再加上 洗罐等用水，每生产一吨溶剂就会产生5 0 - - - 6 0 吨左右的废水，该废水是一种非常典型的 工业废水，水质特点是“两高”即：高有机物浓度，高悬浮物浓度。如果直接排放，对环 境造成的危害将非常巨大。 吴香强【6 j 等采用u a s b 厌氧消化器对丙酮、丁醇废水进行了厌氧处理研究，结果表 明：经固液分离后的丙酮、丁醇废醪( c o d 浓度约2 0 0g l ) 进入u a s b 厌氧消化器处理， h r t 为2 5 天，启动c o d 负荷为2 5 ( l d ) ，运行负荷8 9g ( l d ) ，c o d 去除率达9 2 ， 容积产气率3 2l “l d ) ，甲烷含量6 3 。 王宇别7 】等利用光合细菌、生物氧化及物化法综合处理丙酮、丁醇废水，c o d 去除 率达9 9 。光合细菌处理段c o d 容积负荷6 5g ( l d ) ，饲料蛋白回收率为l ok 鱿，废 水经处理后可达到排放要求。 1 3 酵母茵在废水处理中的应用 酵母菌是一大类单细胞真核微生物的总称，由于其具有生长快、代谢效率高、能产生 特殊代谢产物等特点而在食品、医药、酒精、饮料等行业被广泛应用。酵母菌还能利用 无机氮源或尿素来合成蛋白质，生长速度快，转化效率高，是目前最重要的单细胞蛋白 的来源i 引。 酵母菌对污染物去除范围很广，包括有机污染物( 高浓度含油废水【9 】，食品工业有机 废水【l o 】) 、重金属 1 l , 1 2 。酵母菌对污染物的降解和去除主要是通过生物吸附，氧化等作 用实现的，与活性污泥法工艺是相同的。但由于是真菌，也具有一定的特异性。所以其广 泛应用于工业废水的处理。、 江南大学硕士学位论文 2 0 世纪8 0 年代开始，国内一些企业利用无毒的发酵废水作为廉价的生产原料生产 酵母菌单细胞蛋白，既减轻了废水的污染负荷，又实现了废水资源化。酵母菌真正用于 废水处理的研究始于2 0 世纪7 0 年代后期，日本国税厅酿造研究所最早从环境工程概念 上设计了酵母菌废水处理系统应用于啤酒生产废水和食品加工废水的处理f 1 3 , 1 4 】。2 0 世纪 9 0 年代后，日本一家企业成功地将该技术作为高浓度有机废水的前段处理手段用于工业 废水的处理，由此产生了环境工程意义上的酵母菌废水处理技术，目前该技术已经用于 多种实际工业废水的处理。 用酵母菌处理搞浓度有机废水生产单细胞蛋白是酵母菌在废水处理中的一个重要 方面，用该法生产细胞蛋白具有以下特点【1 5 】：( 1 ) 细胞蛋白的营养极为丰富，蛋白质含 量高，可利用率也高，同时氨基酸组成齐全，还含有多种维生素；( 2 ) 微生物世代周期 短，生产效率高；( 3 ) 生产原料极广，利于消除环境污染，其原料涉及到废水、废气和废 渣等工农业三废；( 4 ) 可以工业化生产，节约土地。细胞蛋白应用也极为广泛，常被用 作饲料和食品等，而且效果相当好，具有一定的经济效益和社会效益。 1 4 活性炭吸附在废水处理中的应用 活性炭是一种经特殊处理的炭，具有无数细小孔隙，表面积巨大，每克活性炭的表 面积为5 0 0 - - 1 5 0 0 平方米【1 6 1 。活性炭有很强的物理吸附和化学吸附功能，而且还具有解 毒作用。解毒作用就是利用了其巨大的面积，将毒物吸附在活性炭的微孔中，从而阻止 毒物的吸收【1 6 】。同时，活性炭能与多种化学物质结合，从而阻止这些物质的吸收。 1 4 1 活性炭的分类 在生产中应用的活性炭种类有很多，一般制成粉末状或颗粒状。粉末状的活性炭吸 附能力强，制各容易，价格较低，但再生困难，一般不能重复使用。颗粒状的活性炭价 格较贵，但可再生后重复使用，并且使用时的劳动条件较好，操作管理方便。因此在水 处理中较多采用颗粒状活性炭。 1 4 2 影响活性炭吸附的因素 吸附能力和吸附速度是衡量吸附过程的主要指标。吸附能力的大小是用吸附容量来 衡量的，而吸附速度是指单位重量吸附剂在单位时间内所吸附的物质量。在水处理中， 吸附速度决定了污水需要和吸附剂接触的时间。活性炭的吸附能力与活性炭的孔隙大小 和结构有关。一般来说，颗粒越小，孔隙扩散速度越快，活性炭的吸附能力就越强。污水 的p h 值和温度对活性炭的吸附也有影响，活性炭一般在酸性条件下比在碱性条件下有 较高的吸附量。吸附反应通常是放热反应，因此温度低对吸附反应有利。当然，活性炭 的吸附能力与污水浓度有关，在一定的温度下，活性炭的吸附量随被吸附物质平衡浓度 的提高而提高。 1 4 3 活性炭在污水处理中的应用 1 4 3 1 活性炭处理含铬废水 铬是电镀中用量较大的一种金属原料，在废水中六价铬随p h 值的不同分别以不同 4 第一章绪论 的形式存在。活性炭有非常发达的微孔结构和较高的比表面积，具有极强的物理吸附能 力，能有效地吸附废水中的c r 。活性炭的表面存在大量的含氧基团如羟基、羧基等，它 们都有静电吸附功能，对c r 产生化学吸附作用。完全可以用于处理电镀废水中的c r ， 吸附后的废水可达到国家排放标准【1 7 】。活性炭处理含铬废水，吸附性能稳定，处理效率 高，操作费用低，有一定的社会效益和经济效益。 1 4 3 2 活性炭处理含氰废水 在工业生产中，金银的湿法提取、化学纤维的生产、炼焦、合成氨、电镀、煤气生 产等行业均使用氰化物或副产氰化物，因而在生产过程中必然要排放一定数量的含氰废 水。活性炭用于净化废水已有相当长的历史，应用于处理含氰废水的文献报道也越来越 多，但处理成本较耐1 8 】。 1 4 3 3 活性炭处理含汞废水 活性炭有吸附汞和含汞化合物的性能，但吸附能力有限，只适宜于处理含汞量低的 废水【1 9 1 。如果含汞的浓度较高，可以先用化学沉淀法处理，处理后含汞约1m g l ，高时 可达2 3m g l ，然后再用活性炭做进一步的处理。 1 4 3 4 活性炭处理含酚废水 含酚废水广泛来源于石油化工厂、树脂厂、焦化厂和炼油化工厂。经实验证明；活 性炭对苯酚的吸附性能好，温度升高不利于吸附，使吸附容量减小；但升高温度达到吸 附平衡的时间缩短。活性炭的用量和吸附时间存在最佳值，在酸性和中性条件下，去除 率变化不大；强碱性条件下，苯酚去除率急剧下降，碱性越强，吸附效果越差【2 0 】。 1 4 4 活性炭的再生 随着活性炭的应用范围日趋广泛，活性炭的回收开始得到了人们的重视。如果用过 的活性炭无法回收，除了每吨废水的处理费用将会增加0 8 3 - , 0 9 0 元外【2 l 】，还会对环境 造成二次污染。因此，活性炭的再生具有格外重要的意义。 活性炭的再生方法很多，有热再生法【2 2 ，2 3 1 、生物再生法、湿式氧化再生法【2 4 】、溶剂 再生法、电化学再生法f 2 5 j 、超临界流体再生法【2 6 2 7 1 、超声波再生法2 踟、微波辐照再生法、 催化湿式氧化法【2 9 】等方法。 1 5 本论文的立题意义及主要研究内容 1 5 1 立题意义 随着国内水资源形势的日趋紧张，工业废水的资源化利用显得尤为重要。丙酮丁 醇发酵产物浓度很低j 只有2 3 ( 质量浓度) ，加上洗罐用水，每生产一吨溶剂产生的 废水达5 0 多吨，该废水具有部分胶体性质，用常规方法处理很难达到理想效果。国内 有关a b e 发酵废水处理的报导很少，该技术的研究基本处于停滞状态。 由于世界石油资源的的紧缺，原油价格大幅度上升，发酵法生产丙酮、丁醇的成本 优势已非常明显，国内多家企业开始或准备上马，而a b e 发酵废水的处理技术的滞后， 成了制约该产业发展的主要因素之一。所以迫切需要一种投资成本低，运行费用少，处 江南大学硕士学位论文 理效果好的a b e 发酵废水处理技术。 在这种背景下，本实验室准备开发一种以假丝酵母发酵处理废水为主体的a b e 发 酵废水处理技术，处理废水的同时生产单细胞蛋白，再将处理过的废水回用到丙酮丁 醇发酵，实现废水的资源化利用。 经研究发现，絮凝沉淀，假丝酵母处理，活性炭吸附三步法处理a b e 发酵废水， 并全回用到a b e 发酵，取得了较理想的效果。 1 5 2 本论文的主要研究内容 ( 1 ) 丙酮丁醇发酵废醪固液分离方法的选择和最佳分离条件的确定。 ( 2 ) 酵母法处理丙酮丁醇发酵废水发酵工艺的优化。 ( 3 ) 活性炭吸附法最终处理废水条件的确定。 ( 4 ) 不同处理程度废水的回用研究。 6 第二章絮凝法处理a b e 发酵废水及回用研究 第二章絮凝法处理a b e 发酵废水及回用研究 2 1 引言 丙酮一丁醇发酵废水含有大量的固形物，包括纤维素、细菌细胞，细胞碎片及自溶 物、残余淀粉、蛋白质等【5 】，具有部分的胶体特性，通过常规的板框过滤或离心的方法， 固液分离不彻底。发酵废水呈现胶体特性的原因有：( 1 ) 细菌细胞微小，仅o 7 0 8 2 - 3 l lm ，相对密度与水相近为1 0 3 ，故过滤或离心都很困难。( 2 ) 丙酮丁醇梭菌细胞表面 带负电荷，发酵液流动毛电位较高，胶体粒子相互排斥，难以沉降1 3 l 】。( 3 ) 细胞壁外层 的各种生物大分子，如多糖和蛋白质分子上c o o h ，- n h 2 、o h 等各种基团，通过氢 键与水分子结合而形成水化层，使细胞成为一种稳定的带电荷微粒。沉淀法是一种经济、 方便的固形物去除方法，而絮凝沉淀因为能够大大加快固形物的沉降速度【3 2 】，在固液分 离中被大量采用。本实验首先选用絮凝沉淀法处理a b e 发酵废水，絮凝沉淀后得到的 上层清液可部分回用于a b e 发酵拌料用水，也可经进一步处理后排放，下层的稠渣可 干燥制备蛋白饲料3 3 1 。 2 2 材料与方法 2 2 1 主要试剂 硫酸银 重铬酸钾 硫酸亚铁铵 1 0 菲哕啉 阴离子型聚丙烯酰胺 阳离子型聚丙烯酰胺 中性聚丙烯酰胺 壳聚糖( 脱乙酰度8 3 ) 聚合硫酸铁 聚合氯化铝 活性炭( 粉状，煤质) 活性炭( 颗粒状，煤质) 3 ，5 二硝基水杨酸 胰蛋白胨 牛肉膏 酵母抽提物 磷酸氢二钾 氢氧化钙 氧化钙 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 工业级 工业级 工业级 工业级 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 生化试剂 生化试剂 生化试剂 分析纯 分析纯 分析纯 7 国药集团化学试剂有限公司 国药集团化学试剂有限公司 国药集团化学试剂有限公司 国药集团化学试剂有限公司 国药集团化学试剂有限公司 国药集团化学试剂有限公司 国药集团化学试剂有限公司 国药集团化学试剂有限公司 国药集团化学试剂有限公司 国药集团化学试剂有限公司 国药集团化学试剂有限公司 国药集团化学试剂有限公司 国药集团化学试剂有限公司 国药集团化学试剂有限公司 国药集团化学试剂有限公司 济宁圣齐生物工程有限公司 国药集团化学试剂有限公司 国药集团化学试剂有限公司 国药集团化学试剂有限公司 江南大学硕士学位论文 硫酸亚铁 硫酸铝 磷酸二氢钾 硫酸镁 2 2 2 主要仪器 电子天平 超净工作台 分光光度计 台式恒温摇床 电热恒温培养箱 t g l 1 6 c 台式离心机 电热鼓风干燥箱 s h z d ( i i i ) 循环水式真空泵 w 5 0 1 升降恒温水浴锅 安捷伦液相色谱仪 g c 一2 0 10 气相色谱仪 电热式压力蒸汽消毒器 厌氧瓶 a n a e r o p a e k 厌氧产气袋 a n a e r o p a c k 2 5l 厌氧罐 2 2 3 菌种来源 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 国药集团化学试剂有限公司 国药集团化学试剂有限公司 国药集团化学试剂有限公司 国药集团化学试剂有限公司 上海精密科学仪器有限公司天平仪器厂 苏州空气净化设备厂 上海第三分析仪器厂 江苏太仓市实验设备厂 上海跃进医疗器材厂 上海安亭科学仪器厂 上海实验仪器厂有限公司 巩义市英峪子华仪器厂 上海申顺生物科技有限公司 美国a g i l e n t 公司 上海精密科学仪器有限公司 无锡第二医疗器械厂 江阴玻璃仪器厂 日本三菱化学有限公司 日本三菱化学有限公司 丙酮丁醇梭菌( c l o s t r i d i u ma c e t o b u t y l i u m ) 为本实验室保藏。 2 2 4 菌株保藏方法 甘油管2 0 。c 保藏。 2 2 5 培养基 2 2 5 1 种子培养基 5 t 米醪培养基：称取过4 0 目筛的玉米粉5 0g ，加ll 自来水，边煮边搅拌，5 0m i n 后，补足挥发的水份。灭菌条件：1 2 1 ，3 0m i n 。 2 2 5 2 发酵培养基 7 玉米醪培养基，配制过程见2 2 5 1 。 2 2 6 实验方法 2 2 6 1 厌氧培养方法 8 第二章絮凝法处理a b e 发酵废水及回用研究 厌氧产气 封圈 平板 图2 - 1 厌氧罐示意图 f i g 2 1s k e t c ho fa n a e r o b i ct a n k 在菌种分离培养过程中，菌体的培养主要是在厌氧罐中进行，具体操作如下，将待 培养的平板放入罐中，同时将厌氧产气袋迅速打开放入罐中，将顶盖封好。厌氧产气袋 通过化学反应吸收容器中的氧气，同时产生二氧化碳和氢气，3 0 - - 6 0r a i n 内氧气被完全 吸收，从而确保罐内的无氧环境。 丙酮丁醇发酵是在1 0 0m l 的厌氧瓶中进行，装液量在7 0 8 0m l 左右，接完种后 抽去瓶内空气，以确保其无氧环境。当瓶内达到一定正压后，用经灭菌的输液管导气放 压，防止爆瓶。 2 2 7 测定方法 2 2 7 1 废水c o d 的测定 采用重铬酸钾法【3 4 】：按国标g b l l 9 1 4 8 9 测定。 2 2 7 2 溶剂量的测定 发酵液经过离心后，取上清液5m l ，经过o 4 5i x m 孔径的微滤膜过滤，得到的滤液 采用g c 2 0 1 0 气相色谱仪顶空进样检测。色谱柱为p e g l 7 0 1 3 0 m ，0 5 3m m x l 0g m ； 检测器：f i d ；进样温度：1 6 0 ；检测温度：2 6 0 。c ；柱温：4 0 。c ( 保温3m i n ) 1 8 0 。c ( 保 温2m i n ) 1 0 。c ；载气为氮气；流速：5m l m i mh 2 ，流速4 7m l m i n ；顶空进样条件：起 始温度：7 0 ，保温2 5m i n ，加压：5m i n ；传输线温度：1 3 0 。 2 3 结果与讨论 2 3 1 絮凝剂的选取 将不同种类的絮凝剂聚丙烯酰胺、壳聚糖、硫酸亚铁、三氯化铁、聚合硫酸铁、硫 酸铝、聚合氯化铝、氧化钙、氢氧化钙配置成1 0g l 的溶液备用。取1 6 个1 0 0m l 小烧 杯，按0 1 5 编号，其中0 号为对照。分别量取5 0m l 丙酮一丁醇发酵废醪加到每个烧杯 中，吸取o 5m l 配制好的各种絮凝剂溶液依次加入，其中壳聚糖加入量为lm l ，对照 样加入0 5m l 水。在3 0 。c 的室温条件下，2 5 0r m i n 搅拌1 0m i n 使其混合均匀，然后静 置沉淀。 9 江南大学硕士学位论文 表2 1 不同絮凝剂絮凝效果比较 t a b l e 2 - 1 c o m p a r i s o no fd i f f e r e n tf l o c c u l a n t 絮凝效果见表2 1 ，其中快、较快、较慢、慢分别表示在1h 、2h 、4h 内澄清和4h 都不能澄清四种情况。实验表明，m w 1 2 0 0 万的阳离子型聚丙烯酰胺【3 5 】，壳聚糖和氢 氧化钙的絮凝效果较好。壳聚糖因价格昂贵首先放弃，而阳离子型聚丙烯酰胺的絮凝沉 降速度要比氢氧化钙要快，因而选取m w 1 2 0 0 万的阳离子型聚丙烯酰胺为本实验的絮 凝剂。阳离子型聚丙烯酰胺吸附效果较好的原因，可能是阳离子型更容易与带负电荷的 细菌细胞吸附，形成絮团造成的。 2 3 2 不同絮凝剂添加量对絮凝效果的影响 选定絮凝剂之后，考察不同絮凝剂添加量对沉降效果的影响。选择添加量分别为2 0 m g l 、4 0m g l 、6 0m g l 、8 0m g l 、1 0 0m g l 、1 2 0m g l 、1 4 0m g l 和1 6 0m g l ，3 0 。( 2 温度下，2 5 0r m i n 搅拌1 0m i n ，静置絮凝1h 测定清液c o d a 。 l o 第二章絮凝法处理a b e 发酵废水及回用研究 表2 - 2 不同絮凝剂添加量对沉降效果的影响 t a b l e 2 2 e f f e c t so fd i f f e r e n tf l o c c u l a n ta d d i t i o no ns e t t l e m e n t 观察絮团特征、沉降速度发现，1 2 0m g l 和1 4 0m g l 的添加量时絮团大，形成快， 沉降速度也快。随着添加量的继续加大，沉降速度反而变慢，其原因可能是过量絮凝剂 之间相互争夺废醪中的固形物，从而形成一个相对稳定的体系造成的。具体絮凝情况见 表2 2 ，其中添加量为1 2 0m g r l 时，清液c o d 汀去除率达到最高的3 8 4 。 2 3 3 不同p h 值对絮凝效果的影响 本试验考察了废醪p h 分别在3 1 0 条件下对丙酮丁醇废醪的絮凝效果。絮凝剂添 加量1 2 0m g l ，其它条件同2 3 2 。 。 述 锝 篮 絮 8 u 2 3456 789 1 0l l p h 值 图2 - 2 废醪p h 对絮凝效果的影响 f i g 2 2e f f e c to fd i f f e r e n tw a s t e w a t e rp ho nf l o c c u l a n t i o n 实验结果表明，不同p h 条件对絮团特征和沉降速度影响较小，对清液c o d 盯去除 率影响见图2 2 ，但当废醪p h 7 时，清液c o d 盯去除率明显下降，当废醪p h 为5 o 时清液c o d 盯去除率达到最大。p h 值对絮凝效果的的影响，我们认为其可能通过 以下两方面：( 1 ) 影响菌体表面的电荷特性。当p h 絮凝剂 添加量 絮凝时间 絮凝温度；选取最优水平为a 2 8 2 c 2 d 3 ，即絮凝剂添加量1 2 0m g ，废 醪p h 5 0 ，絮凝温度3 5 ，絮凝时间5 0m i n 时絮凝效果最佳。 2 3 6 3 验证实验 用正交试验所得的最优水平进行验证试验，m w 1 2 0 0 万的阳离子型聚丙烯酰胺添 加量1 2 0m g l ，废醪p h 调整到5 0 ，絮凝温度3 5 ，2 5 0r m i n 搅拌1 0m i n ，静置絮凝5 0m i n 测定清液c o d c r ，结果废水c o d c r 降到1 3 2 1 6m g l ，去除率达4 4 o 。 1 4 第二章絮凝法处理a b e 发酵废水及回用研究 2 3 7 稠醪分离 实验室小试条件下，经絮凝沉淀废醪清液与稠醪分层，少量的可用5 0m l 移液管缓 慢吸出清液；较大量可在搅拌均匀后即转入1 0 0 0m l 的分液漏斗，待絮凝完全放出稠醪， 清液倒出，稠醪部分烘干可得到1 2 8 9 l 的干物质。 在实际生产中，稠醪和清液的分离可见图2 6 ，沉淀完全后清液从沉淀池中间排出， 稠醪从池底排出。此稠醪部分含有纤维素、细菌尸体、残余淀粉、蛋白质等，可经喷雾 干燥、滚桶干燥等方法制成动物饲料。 进口 口 稠醪出口 图2 - 6 沉淀池工作示意图 f i g 2 6s k e t c ho fs e d i m e n t a t i o nt a n k 2 3 8 絮凝处理废水回用研究 2 3 8 1 不同废水回用比例对a b e 发酵的影响 经过絮凝处理的a b e 发酵废水，按不同比例回用到a b e 发酵，作为拌料用水，考 察其对a b e 发酵的影响。 、 、 谰 罹 缝 u1 02 0 3 04 05 0 回用比例( ) 口丁醇囵总溶剂 图2 7 不同废水回用比例对a b e 发酵的影响 f i g 2 7e f f e c to fd i f f e r e n tw a s t e w a t e rr e u s ep r o p o r t i o no na b ef e r m e n t a t i o n 试验结果如图2 7 所示，1 0 和2 0 的回用比例对发酵无不利影响；2 0 的回用比 例时溶剂产量还略有提高，其原因可能是废水中带入的营养成分被丙丁梭菌利用造成 的。 加悸m h 他m 8 6 4 2 o 江南大学硕士学位论文 2 3 8 2 不同废水回用次数对a b e 发酵的影响 分别以1 0 和2 0 的废水回用比例，考察不同回用次数对a b e 发酵的影响。 0lz34567891 0l l 回用次数 + 1 0 回用比十2 0 回用比 图2 - 8 不同废水回用次数对a b e 发酵的影响 f i g 2