CN102910712A - 电渗析处理酵母废水工艺条件的选择方法 - Google Patents

Abstract

一种电渗析处理酵母废水工艺条件的选择方法，是针对电渗析脱盐的影响因数进行优化处理，在限制因数条件下，运用电渗析处理酵母废水达到最大的脱盐率，提高废水生化性能。该方法主要步骤为：（1）确定直流电源电压对电渗析脱盐的影响程度；（2）确定电渗析入水流量对脱盐的影响程度；（3）确定入流废水酸碱度对电渗析脱盐的影响程度；（4）确定电渗析处理酵母废水脱盐的最佳工艺参数组合。本发明的优点是：针对现有的有限控制条件，经过优化处理后，使酵母废水达到最大的脱盐效率，增强其生化性，便于酵母废水后续的生化处理。

Description

电渗析处理酵母废水工艺条件的选择方法

 

技术领域

    本发明涉及工业废水处理方法，特别是用电渗析方法处理酵母废水（酒精废液）的方法。

背景技术

      电渗析方法处理工业废水，主要是利用阴阳离子交换膜交替排列于正负电极之间，并用特制的隔板将其隔开，组成除盐淡化和浓缩两个系统，利用离子交换膜的选择透过性，来达到工业废水废液浓缩、淡化。精制和提纯的技术，电渗析方法的优点是:能量消耗低，药剂耗量少，环境污染小，操作简单，易于自动化运行，水利用率高，所以，目前很多工业废水，特别是有重金属离子的废水很多都使用电渗析方法处理。

有关电渗析方法处理工业废水目前有一些报道，我们检索到以下的文献：

1、中国专利，综合利用乳酸链球菌素发酵废液的方法，申请（专利）号: 　  CN200810136861.7  公开（公告）号: CN101638362 申请（专利权）人: 曾伟民  地址: 　黑龙江省哈尔滨市南岗区学府路74号黑龙江大学生命科学学院  发明（设计）人:  曾伟民;雷 虹;平文洋;张钦革;韩德权  摘要:  综合利用乳酸链球菌素发酵废液的方法，乳酸链球菌素是一种多肽。它能有效地抑制许多引起食品腐烂的革兰氏阳性菌的生长、繁殖，特别对耐热芽孢杆菌、肉毒梭菌以及李斯特氏菌有强烈的抑制作用，系一种高效、无毒、安全、无副作用的天然食品防腐剂，并具有良好的溶解性和稳定性。本发明组成包括：收集乳酸链球菌素的发酵废液，首先回收乳酸链球菌素的发酵废液无机酸及无机盐，通过调节pH，回收废液中残留蛋白，分离废液中乳酸盐和残留糖，然后将回收的乳酸盐进一步纯化、脱色、浓缩，所述的回收废液中的无机酸及无机盐、所述的分离废液中乳酸盐和残留糖的处理过程是采用离子交换膜电渗析设备分步进行。　  

 2、中国专利，名称: 一种丙烯酸废水的综合处理方法，申请（专利）号: CN200810050706.3 公开（公告）号: CN101269899  申请（专利权）人: 吉林大学  地址:吉林省长春市前进大街2699号  发明（设计）人:林海波;季洪海;徐红，摘要:针对现有丙烯酸生产废水技术存在的缺陷或不足，提供一种电渗析－生化－萃取－精馏组合方法。丙烯酸废水送入预处理单元，经预处理的废水进入电渗析器，电渗析器稀相出水达到生化处理要求后进入生化处理装置，经生化处理后达标排放；电渗析器浓相出水经二级、三级或四级电渗析浓缩达到一定浓度后去萃取－精馏单元回收醋酸，可得到工业一级醋酸。本发明在废水得到处理的同时回收了重要的化工产品醋酸，充分体现了电渗析技术、生物降解技术、萃取精馏技术的有机结合，该组合工艺处理丙烯酸废水具有高效、经济的特点。 　主权项: 1.一种丙烯酸生产废水综合处理方法，其步骤包括： (1)废水预处理：采用常规方法，将丙烯酸废水通过沙滤、活性炭过滤，  控制废水的流速，除去废水中有害物，如甲苯、甲醛、丙烯酸等有机物。  (2)电渗析分离：预处理后的丙烯酸废水分别作为浓相和稀相，0.1mol/L   Na2SO4水溶液作为极水，在泵的驱动下浓相、稀相、极水分别在浓室、稀室、极室循环，控制流速，保持操作电压恒定，经过电渗析的分离、浓缩，稀相丙 烯酸废水醋酸浓度可降至0.3％以下，浓相醋酸含量浓缩至8.0％以上。 (3)乙酸回收：采用萃取-精馏方法，即选用乙酸乙酯为萃取剂，对电渗析的乙酸浓缩液进行萃取，萃取采用多级方式。萃取液进入精馏塔间歇精馏， 塔顶馏出乙酸乙酯-乙酸-水三元恒沸物，塔底为粗乙酸，将粗乙酸精制得99％  工业一级乙酸。(4)废液的生化处理：将电渗析分离后的稀相丙烯酸废水(CODcr＜3000  mg/L)送入企业生化降解池，经过处理后稀相丙烯酸废水CODcr可降国家《污  水综合排放标准》(GB8978-96)一级排放标准，废水可达标排放。 

3、中国专利，名称: 糠醛生产废水的综合处理方法  申请（专利）号:  CN200910066550.2 公开（公告）号: CN101486524 申请（专利权）人: 吉林大学，地址:吉林省长春市前进大街2699号，发明（设计）人: 林海波;季洪海  摘要:针对现有糠醛生产废水处理方法存在的缺陷和不足，提出一个糠醛废水综合处理方法。糠醛生产废水送入预处理单元，经预处理的废水进入电渗析器，电渗析器稀相出水达到生化处理要求后进入生化处理装置，经生化处理后达标排放；电渗析器浓相出水可经电渗析浓缩达到一定浓度后去萃取—精馏单元回收醋酸，可得到工业一级醋酸。电渗析器浓相出水也可不进行浓缩，循环使用。本发明的优点在于：整个处理工艺除了具有废水处理量大、抗冲击性强、处理水质稳定外，其最大特点是在废水得到处理的同时回收了重要的化工产品醋酸，充分体现了电渗析技术、生物降解技术、萃取精馏技术的有机结合，是一个具有高效、经济的综合处理方法。 　  

 4、中国专利，名称: 一种精制玉米芯酸解液的方法，申请（专利）号: 　  CN201010159218.3，公开（公告）号: CN101818216A，申请（专利权）人: 安徽丰原发酵技术工程研究有限公司，地址: 安徽省蚌埠市胜利西路北侧，发明（设计）人:李荣杰;薛培俭;尚海涛;邓远德;张雪锋，摘要:一种精制玉米芯酸解液的方法。本发明以玉米芯酸水解后经过板框过滤获得酸解液为原料，经过活性碳脱色、过滤、电渗析处理、反渗透处理和蒸汽浓缩，得到可供木糖醇发酵的优质酸解液。与传统的离交法相比，本发明采用电渗析处理去除离子，具有效率高、酸碱消耗少、废水量小等优点；而且采用反渗透浓缩代替现有工艺中的一次浓缩，成本低，可有效地去除醋酸，生产出的糖液质量好。 主权项: 一种精制玉米芯酸解液的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)脱色：向酸解液中加入活性碳进行脱色，然后过滤除去活性碳，得到脱色酸解液；2)电渗析处理：将脱色酸解液进行电渗析处理，电渗析条件为：温度30～50℃，直流电压0.5～1.0v/对膜，直至出料的电导率小于1000μs/cm；3)反渗透处理：将经过电渗析处理的酸解液进行反渗透处理，直至浓缩液的固含量为10～15％；4)蒸汽浓缩：取反渗透处理的浓缩液，经过蒸汽浓缩，直至固含量在20～25％。  

5、中国专利，名称: 含氨、氮废水的处理方法，申请（专利）号:  CN200910030241.X ，公开（公告）号: CN101844845A ，申请（专利权）人: 盐城市鸿盛环保工程有限公司 地址: 江苏省盐城市盐都区义丰镇建丰路11号，发明（设计）人: 毛艳秋 摘要:一种含氨、氮废水的处理方法，通过选用电渗析具有在难溶盐、超饱和工作状况下运行能力，首先将硝酸铵废水中的高含量物质分离回收利用，排出的水已经达到国家排放标准；然后利用反渗透将达标排放水经过进一步的深处理、排出的水完全达到硝酸铵行业生产使用的脱盐软化水指标，同时排出的溶液再返回电渗析分离循环处理、回收利用，实行全系统废水的零排放效果。 　主权项: 一种含氨、氮废水的处理方法，包括膜处理与回收氨，其特征在于：首先在含有硝酸铵和游离氨的冷凝水中加入稀硝酸或气态氨进行中和反应，其次对反应后的冷凝液进行冷却、过滤除杂，将冷凝液输送至一次膜处理系统进行分离，然后将分离获得的硝酸铵溶液输送至二次膜处理系统进行二次处理，接下来将获得的硝酸铵溶液输送至溶液提纯装置进行提纯回收，将前述分离出来的水输送至反渗透系统进行进一步处理。  

6、中国专利，名称: 一种垃圾渗滤液处理工艺  申请（专利）号:  CN200910153435.9 公开（公告）号: CN101928094A，申请（专利权）人:伍立波，地址: 浙江省杭州市拱墅区科技创业中心四楼402室，发明（设计）人: 伍立波;沈静华;胡明峰  摘要:一种城市环境卫生处理的工艺，特别是指一种用于城市垃圾填埋厂及垃圾焚烧厂的渗滤液处理工艺。本发明是通过把垃圾滤液先进行硝化反应，再进行高分子膜处理，包括：超滤膜、纳滤膜、以及反渗透膜的处理，每一步骤选择特点的操作环境，然后再将处理后的浓缩水进行电渗析处理，最后把电渗析浓缩后的料液进行蒸馏等处理，最终把垃圾滤液中的废料排出系统，得到净化。本发明的优点是废水的完全处理，而且相对经济实惠，安装方便，效率高，而且可以做到无二次污染等。可广泛应用于生活垃圾、以及工业生产垃圾的处理等。 　  

7、中国专利，名称:电渗析处理造纸废水装置，申请（专利）号:  CN93223933.1 公开（公告）号: CN2164410，申请（专利权）人: 程幼学，地址:云南省昆明市气象路16号，发明（设计）人:  程幼学;杨琳;王万强，摘要:造纸废水处理装置由若干个电渗析单元连接而组成，每个单元有阳极板、阴极室和电渗析槽，阳极板和阴极室挂于电渗析槽内，阳极板的形状与阴极室相匹配，电渗析槽上有进出液口，阴极室由框架、阴极和阳离子交换膜层叠构成，框架上有孔眼，中间为空腔，上、下有进出口，框架的外层为阴极，阴极外面层叠阳离子交换膜。主权项: 1、一种电渗析处理造纸废水装置，其特征在于由若干个电渗析单元连接而组成，每个单元有阳极板4、阴极室5和电渗析槽3，阳极板4和阴极室5挂于电渗析槽3内，阳极板4的形状与阴极室5相匹配，电渗析槽3上有进出液口，阴极室5由框架12、阴极11和阳离子交换膜10层叠构成，框架12上有孔眼，中间为空腔，上、下有进出口，框架12的外层为阴极11，阴极11外面层叠阳离子交换膜10。

8、中国专利，名称: 化工分离膜器电渗析设备，申请（专利）号: CN200520015796.4 公开（公告）号: CN2805895 申请（专利权）人:吴润丰;陈光，地址:北京市朝阳区垡头三区9号，发明（设计）人: 陈光;黄世学;吴润丰;吴晓云;黄文哲;王超群  摘要:一种化工分离膜器电渗析设备。它包括多个膜堆、组合型电极和压紧装置，每个膜堆均由阳离子交换膜、浓缩室隔板、阴离子交换膜、脱盐室隔板交替排列而成；组合型电极分别装在膜堆两侧，多个膜堆组合依次排列，用压紧装置紧固成一体。浓缩室隔板和脱盐室隔板结构类同，其中心部位为液流通道支撑网，周边部位为隔板框。本实用新型的优点是：它提高了单台设备的膜堆数量及处理能力，防止了多膜对组装时水流分配的不均匀性，便于检查、检修和运行管理；设备结构紧凑、美观合理，占地面积小。本实用新型可用于生物化工和制药、食品工业的脱盐、纯化和浓缩处理，减少废水中有机物含量，减小环境污染。 　  

9、中国专利，名称:制革深度处理废水循环利用装置，申请（专利）号: 　  CN201120044430.5 公开（公告）号: CN201952316U （专利权）人: 波鹰（厦门）科技有限公司，地址:福建省厦门市集美区杏西路42号之一（炼胶车间），发明（设计）人:张世文;王峰 摘要: 制革深度处理废水循环利用装置，涉及一种废水处理。装置设纳米催化电解系统、浸没式超滤膜过滤分离系统、超滤膜清洗系统和电渗析系统；纳米催化电解系统设第1截止阀、水泵、纳米催化电解机、沉淀罐和过滤装置；浸没式超滤膜过滤分离系统设第2截止阀、浸没式超滤膜池、鼓风机、曝气器、超滤膜系统、抽吸泵和透析液贮罐；超滤膜清洗系统设清洗液罐、反冲洗泵、第4截止阀和联接管道；电渗析系统设第5截止阀、电渗析机、透析液贮罐和浓缩水贮罐。基于纳米催化电解技术、浸没式超滤技术与电渗析技术相结合应用，且成本较低，效能较高，达到废水再生循环利用。 　  

 上述公开文献报道了一些工业废水的电渗析处理方法，虽然对一般的有机废水能够进行处理，但是对于一些浓度高的有机废水，例如食品和药品行业的废水，由于粘度大，使用电渗析方法有一定难度。

本技术领域的技术人员都知道，糖蜜酵母废水是以糖蜜为原料经发酵后, 发酵液在酵母制取后排放的废水，也称酒精废液。糖蜜酵母废水排放量大，每生产1吨酵母排出的废水通常80-100吨，是制糖工业最严重的污染源。糖蜜酵母废水中的主要成分多为微生物可利用的营养物质，废水的可生化性好，因此该废水可采用生化法进行处理，但因为废水中有较多硫酸根离子和钾离子等盐分，造成厌氧效率较低、好氧负荷过高，从而而使得生化法处理糖蜜酵母废水成本高，效果差。

 

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够采用电渗析脱盐等预处理工艺，探究电渗析处理酵母废水的最佳工艺参数，可以有效降低废水中无机盐的含量，提高其废水可生化性，实现废物利用，节约资源的要求。

本发明的方法是这样实现的，其电渗析处理酵母废水工艺条件的选择方法步骤如下：

1、确定直流电源电压对电渗析脱盐的影响程度：控制入流废水的相关参数及流量不改变，获取不同电压梯度下电渗析脱盐率和脱钾率数值，用origin或excel作图，观察脱盐脱钾趋势；

2、确定电渗析入水流量对脱盐的影响程度：控制入流废水的相关参数及直流电源的电压不变，获取不同流量梯度下电渗析脱盐率和脱钾率数值，用origin或excel作图，观察脱盐脱钾趋势；

3、确定入流废水酸碱度对电渗析脱盐的影响程度：控制直流电源的电压和入流废水的流量不变，获取不同酸碱度下电渗析脱盐率和脱钾率数值，用origin或excel作图，观察脱盐脱钾趋势；

4、若以上三个变量下的脱盐率均出现明显的峰值，选择用响应面分析法（RSM）处理，以三个单因素的峰值作为基点，确定水平，通过基于响应面分析方法的design-expert软件中Box-Behnken Design确立各影响因素组成的曲面方程，拟合得出最佳的工艺参数组合。

若以上三个变量中至少有一个未出现峰值，选用正交实验法处理，以三个因数的最佳值作为水平设计实验，通过正交软件处理确定最佳工艺参数组合。

本发明采用的电渗析脱盐浓缩处理装置是在一个安装有分别添加正电和负电的电极板和若干组隔膜的电渗析槽，正电和负电的两块电极板设在电渗析槽的内部两侧，隔膜设在电极板的中间，隔膜为阳膜和阴膜，交替安装，正电电极板紧靠阴膜，负电电极板紧靠阳膜，污水从电渗析槽上部进入，经电解和膜分离，电渗析槽下部是经过电离出正负离子的清液。

本发明的原理：

在电渗析处理酵母废水工艺条件的选择方法中，对于至少有一个因数未出现峰值的情况，只能用正交实验确定最佳工艺参数组合，正交的优化功能较响应面的功能弱，仅仅是所取的因素水平的最佳组合。实验时，在考虑工作量的情况下，应设计尽量多的因数水平，以期达到更好的工艺优化组合，必要时需经反复正交实验来确定更佳的工艺参数组合。

对于三个因数均出现峰值的情况下，利用响应面来寻找最佳工艺参数组合，拟合得出的最佳工艺参数组合不局限于特定实验的组合，而是构建响应面方程后得出的最佳工艺参数组合，一次实验结果的实用性及优化程度可能高于正交得出的结果。

响应面分析方法和正交实验方法均是研究比较成熟的实验方法，应用于工农业生产方面的研究也有很多相关报道，但应用响应面分析方法或正交实验方法来寻求电渗析处理酵母废水的最佳工艺参数组合，优化工艺条件的报道尚未见到。

对单因数实验的两种结果做出了合理的后续优化处理，首次将响应面分析方法和正交实验方法应用到寻求电渗析处理酵母废水的最佳工艺参数组合上来。但该方法也有不完善之处，对于正交实验寻优方面，要找到更好优化组合工作量较大；响应面分析法受条件限制较大，必须要考察的每个因数对脱盐率及脱钾率的曲线出现波峰或波谷是才可以使用。

本发明的突出的实质性特点和显著的进步是：

1、利用电渗析处理酵母废水，将其脱盐后再经厌氧-好氧处理，是一种创造性的思维方法，需要功能强大的电渗析膜堆的支持，需要研发出一种不易堵塞的电渗析膜。

2、获取电渗析处理酵母废水最佳工艺参数的方法，通过设计实验与计算机软件的联合处理作用，得出电渗析处理酵母废水最大脱盐效果的工艺参数组合（即最佳直流电源电压、入流废水流量、入流废水pH值的工艺参数组合）。这样就可以根据工艺参数设计酵母废水处理装置。

3、该方法也可以应用于其他工业废水的电渗析处理系统，例如重金属含量高的电镀废水、医疗废水以及复杂污染物废水。

 

附图说明

图1是获取电渗析处理酵母废水最佳工艺参数组合的工艺流程简图。

图2是某糖厂酒精废液的电渗析处理设备原理图。

图3是广西某糖业公司糖蜜酵母废水脱盐趋势图（观察了脱盐脱钾趋势的origin或excel图）。

图4是广西某糖业公司糖蜜酵母废水脱钾趋势图（Box-Behnken Design确立各影响因素组成的曲面方程图）。

如图1所示：

在电渗析处理酵母废水工艺条件的选择方法中，先通过单因数实验确定电渗析处理酵母废水受各因数影响程度的数据，通过origin或excel作图直观了解是否出现峰值，若改变三因数的水平对应酵母废水的脱盐率均出现峰值时，用响应面（RSM）分析方法设计实验，通过design-expert软件中Box-Behnken Design拟合得出最佳的工艺参数组合；若改变三因数的水平对应酵母废水的脱盐率有一个或一个以上未出现峰值时，用正交实验设计方法设计实验，通过正交软件拟合得出最佳的工艺参数组合。按此方法的出的电渗析处理酵母废水工艺参数组合可以实现在限制条件下工艺参数最大程度优化的目的。

这种联合现场实验与计算机拟合处理的工艺参数组合优化方法，尤其是考虑到设备条件受限的情况，为获取电渗析处理酵母废水脱盐工艺参数的最佳组合提供了方法论上的指导，有很强的实用性。

如图2所示，电渗析脱盐浓缩处理装置是在一个安装有分别添加正电和负电的电极板和若干组隔膜的电渗析槽，正电和负电的两块电极板设在电渗析槽的内部两侧，隔膜设在电极板的中间，隔膜为阳膜和阴膜，交替安装，正电电极板紧靠阴膜，负电电极板紧靠阳膜，污水从电渗析槽上部进入，经电解和膜分离，电渗析槽下部是经过电离出正负离子的清液。

 

具体实施方式

实施例1：广西某糖业公司的糖蜜酵母废水，COD在5500mg/L左右，总盐含量在6000mg/L左右，钾离子含量在540mg/L左右，该废水的生化性较差。经实验室小试规模处理，由于单因子实验阶段脱盐趋势图上未出现较明显峰值，选用正交实验设计方法设计实验，得出的最佳脱盐参数组合为：流量30L/h，电压为60V，pH值为7。该最佳组合下，脱盐率达到89.6%，经电渗析处理后糖蜜酵母废水的BOD5/COD值由原水的0.293处理后上升到0.477，废水的生化性能得到明显的提升。处理后的淡化液经过厌氧处理和好氧处理后回用，浓缩液经过再浓缩和干燥以后得到干燥的酒精废液干粉，作为饲料或工业原料。

图2所示，广西某糖业公司糖蜜酵母废水脱盐趋势表达如下：横坐标表示pH和电压、流量，纵坐标表示脱盐率。由图可知，随着pH的增大，脱盐率先升高后降低，说明存在最佳pH值，本实例最佳pH为7。脱盐率随着流量的增大而降低，随着电压的增强而升高，故本实例最佳流量为最小流量30 L/h，最佳电压为最大电压60V。

图3所示，广西某糖业公司糖蜜酵母废水脱钾趋势表达如下：横坐标表示pH和电压、流量，纵坐标表示脱钾率，由图可知，脱钾率随pH的增大而升高，随电压的增强先降低后升高，随着流量的增大先升高后降低，最佳pH为8，最佳流量为40 L/h，最佳电压为40V。且本实例的脱钾率均高于98%，处理效果相当好。

Claims (5)

1.一种电渗析处理酵母废水工艺条件的选择方法，其特征在于：具体步骤如下：

（1）确定直流电源电压对电渗析脱盐的影响程度：控制入流废水的相关参数及流量不改变，获取不同电压梯度下电渗析脱盐率和脱钾率数值，用origin或excel作图，观察脱盐脱钾趋势；

(2)确定电渗析入水流量对脱盐的影响程度：控制入流废水的相关参数及直流电源的电压不变，获取不同流量梯度下电渗析脱盐率和脱钾率数值，用origin或excel作图，观察脱盐脱钾趋势；

(3)确定入流废水酸碱度对电渗析脱盐的影响程度：控制直流电源的电压和入流废水的流量不变，获取不同酸碱度下电渗析脱盐率和脱钾率数值，用origin或excel作图，观察脱盐脱钾趋势；

若以上三个变量下的脱盐率均出现明显的峰值，选择用响应面分析法（RSM）处理，以三个单因素的峰值作为基点，确定水平，通过基于响应面分析方法的design-expert软件中Box-Behnken Design确立各影响因素组成的曲面方程，拟合得出最佳的工艺参数组合；

若以上三个变量中至少有一个未出现峰值，选用正交实验法处理，以三个因数的最佳值作为水平设计实验，通过正交软件处理确定最佳工艺参数组合。

2.根据权利要求1所述的电渗析处理酵母废水工艺条件的选择方法，其特征在于：如果至少有一个因数未出现峰值的情况，则用正交实验确定最佳工艺参数组合。

3.如权利要求1所述的电渗析处理酵母废水工艺条件的选择方法，其特征在于：如果三个因数均出现峰值的情况下，利用响应面来寻找最佳工艺参数组合。

4.权利要求1所述的电渗析处理酵母废水工艺条件的选择方法，其特征在于：电渗析脱盐浓缩处理废水采用的装置是在一个安装有分别添加正电和负电的电极板和若干组隔膜的电渗析槽，正电和负电的两块电极板设在电渗析槽的内部两侧，隔膜设在电极板的中间，隔膜为阳膜和阴膜，交替安装，正电电极板紧靠阴膜，负电电极板紧靠阳膜，污水从电渗析槽上部进入，经电解和膜分离，电渗析槽下部是经过电离出正负离子的清液。

5.权利要求1所述的电渗析处理酵母废水工艺条件的选择方法，其特征在于：在其他工业废水的电渗析处理系统的应用。

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