CN107117718A - 一种高效纤维质降解菌群处理木薯酒精废液的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高效纤维质降解菌群处理木薯酒精废液的方法，属于污水净化处理技术领域。本发明采用CSTR厌氧反应器，接种高效纤维质降解菌种作为接种污泥，有效的处置了木薯酒精废液，实现了酒精废液固形物降解和转化效率的提高，提升木薯酒精废液的资源化利用率，可解决实际生产过程中的污染处理问题，减少对周围生态环境的破坏。发酵系统运行稳定，木薯酒精废液处理效果较好，能源转化率较高。

Description

一种高效纤维质降解菌群处理木薯酒精废液的方法
技术领域
本发明涉及一种高效纤维质降解菌群处理木薯酒精废液的方法，属于污水净化处理技术领域。
背景技术
木薯燃料乙醇在未来能源配置过程中将会发挥越来越重要的作用，成为可替代能源酒精乙醇生产的重要原材料。然而，木薯酒精生产企业在生产酒精过程中会从蒸馏发酵成熟醪后排出大量的酒精糟及设备的洗涤水，这是一类具有高含固率、高COD和低pH的难降解的工业有机废水。根据报道，一个中型木薯乙醇生产工厂所产生的污染总量相当于一个拥有500000人口聚集城区所排放的生活污水，因此木薯酒精生产过程中所产生的高浓度有机废液高效资源化处理一直是人们研究的重点和热点。
虽然木薯酒精废液资源化处理研究已经取得一定的成果，但是仍然面临一些难题，例如木薯酒精废液中高纤维质类固形物的降解和转化，发酵过程中如何提高反应体系微生物固定化作用等。有研究者提出热稀硫酸预处理木薯废液，提高废液固形物中的降解性能，提高CH4产量，结果表明当预处理反应温度为57.84℃、2.99％H2SO4处理时间为20.15min时，可获得甲烷产率248mL/g VS，但是会产生大量的酸性物质造成严重的二次污染问题。当前，微生物固定方法大多采用吸附法和包埋法，但是对于高SS的木薯酒精废液，这两种方法并不合适。利用ASBR反应器在高温55℃条件下虽然能获得较高的TCOD去除率，但木薯酒精废液中的固形物降解效率偏低。
发明内容
针对现有技术存在的上述缺陷，本发明采用高效纤维质降解微生物作为全混式反应器内的接种物，对木薯酒精废液进行连续式厌氧处理，同时建立了动力学模型，提供了获得最佳反应体系的厌氧发酵过程的运行参数。
本发明的第一个目的是提供一种高效纤维质降解菌群处理木薯酒精废液的方法，接种由牛瘤胃微生物和絮状厌氧污泥组成的高效纤维素降解菌群于木薯酒精废液中，进行连续式CSTR厌氧发酵产沼气。
在本发明的一种实施方式中，所述高效纤维素降解菌群是牛瘤胃微生物与产甲烷菌以VS比为1:0.8～1.2的比例进行混合后的微生物。
在本发明的一种实施方式中，所述高效纤维素降解菌群是VS比为1:1的牛瘤胃成分与絮状污泥在中温37℃的CSTR反应器中经过240d厌氧发酵后获得的中温复配污泥。
在本发明的一种实施方式中，所述接种是以11～14gVS/L的量接种至CSTR反应器中。
在本发明的一种实施方式中，所述高效纤维素降解菌群是将牛瘤胃中的瘤胃液与絮状污泥混合以VS比为1：1的比例进行混合后接种至以秸秆为原料的厌氧反应器中，在37℃下发酵240天后获得的污泥。
在本发明的一种实施方式中，所述高效纤维质降解菌群体系来自卧式CSTR反应器中，经过长期稳定的秸秆干式厌氧发酵而获得，本实验接种46.2～49.4gVS此种菌群于反应罐中。
在本发明的一种实施方式中，所述木薯酒精废液的VS为10～15g/L，木薯酒精废液通过蠕动泵连续进料，并进行全混连续搅拌，搅拌速度为3～8r/min。
在本发明的一种实施方式中，向木薯酒精废液中添加碳酸氢钠，调节初始pH为7.3～7.4，反应过程中不调节pH。
在本发明的一种实施方式中，所述木薯酒精废液的VS为11g/L，木薯酒精废液通过蠕动泵连续进料，并进行全混连续搅拌，搅拌速度为5r/min。通过添加碳酸氢钠固体物质，使得初始pH调节为7.3～7.4，反应过程中不调节pH。
在本发明的一种实施方式中，所述CSTR厌氧反应器采用阶段提升容积负荷的方式运行，初始启动阶段温度维持在中温37℃，容积负荷维持在2-5kgCOD/(m3.d)，稳定之后按照每10℃进行梯度递增升温，直至温度达到并维持55℃，容积负荷为14kgCOD/(m3.d)。
在本发明的一种实施方式中，所述阶段提升容积负荷是依次按照2、5、7、9、12、14kgCOD/(m3.d)的容积负荷进行运行。
在本发明的一种实施方式中，所述阶段提升容积负荷是第0～7天以2kgCOD/(m3.d)运行，第8～61天以5kgCOD/(m3.d)运行，第62～80天以7kgCOD/(m3.d)运行，第81～120天以9kgCOD/(m3.d)运行，第121～149天以12kgCOD/(m3.d)运行，第122～178天以14kgCOD/(m3.d)运行。
在本发明的一种实施方式中，所述HRT和产气率按下式计算：
y＝0.552x2+0.743x；其中，y为y(t)/ym；y(t)为单位时间产气率，ym为最大产气率；x为水力停留时间HRT。
本发明还提供按照所述方法设计并运行，以实现木薯酒精废液处理的设备。
有益效果：以来自经过长期稳定的中温卧式CSTR秸秆干式厌氧发酵而得的高效纤维质降解菌群体系为接种污泥应用于木薯酒精废液的厌氧发酵处理，对粗纤维降解率达41.5％。通过采用阶段提升容积负荷的方式进行运行，提高CSTR反应器的处理负荷和效率，使TCOD去除率达到70％～75％。同时通过建立动力学模型，根据反应过程中所提供的相关参数，获得整个反应过程中的最佳运行参数。本发明的工艺简单，易于控制和操作，对提高木薯酒精废液的处理效率和能源回收率具有重要意义，且不会产生二次污染，因此，对高有机物质，高SS木薯酒精废液厌氧发酵体系，本发明具有良好的应用和研究前景。
附图说明
图1为CSTR厌氧反应器示意图；
图2为不同运行条件下CSTR反应器出水COD的变化情况；
图3为不同条件下CSTR反应器的运行效能；
图4为CSTR反应器VFA和pH的稳定特性；
图5为CSTR反应体系有机酸组成动态变化；
图6为不同容积负荷下CSTR厌氧反应沼气产气率拟合直线；
图7为HRT与y(t)/(ym-y(t))之间的拟合直线；
图8为k、HRT与y(t)/(ym-y(t))之间的拟合曲线。
具体实施方式：
厌氧反应器为CSTR反应器，采用全玻璃装置。厌氧过程中，对沼气中甲烷含量，发酵液中纤维素、半纤维素酶活性、VFA、纤维素、半纤维素含量、SCOD进行测定，测定方法均采用文献报道方法进行分析(表1)。
表1分析项目及方法
VFA采用2014年《NaCl对餐厨垃圾厌氧发酵产VFA浓度及组分的影响》中的方法；纤维素、半纤维素酶活采用1979年《纤维素酶制剂活力的测定方法》中的方法；纤维素、半纤维素含量采用2012年《农村混合物料干式厌氧发酵物性变化中试研究》中的方法。
在本发明的具体实施方式中，底物为木薯经酒精生产后排放的废液，其基本特性如表2所示。
表2木薯酒精废液特性
实施例1
对不同特性的污泥降解粗纤维的能力进行评价，分别选取镇江长兴酒精厂的高温厌氧絮状污泥、VS比为1:1并在中温37℃的CSTR反应器中经过240d运行后得到的牛瘤胃瘤胃液与絮状污泥组成的中温复配污泥、无锡喜那食品加工厂的中温厌氧颗粒污泥和无锡超科糖精加工厂的中温厌氧絮状污泥(表3)。
表3接种污泥的性质
在500mL摇瓶中，以相同的接种量(约11～14gVS/L)接种至表2所示的酒精废液中，在55℃下发酵15天，比较四种污泥对粗纤维的降解能力。粗纤维的降解效果采用表1的方法进行测定。结果显示，由牛瘤胃微生物和絮状厌氧污泥组成的高效纤维质降解污泥组粗纤维降解率最大，为41.5％，而其他三种污泥体系粗纤维降解能力一般，其中高温污泥组、中温颗粒污泥组和中温絮状污泥组对粗纤维降解率分别为25.8％，16.1％和29.4％。这表明经过牛瘤胃微生物和絮状厌氧污泥复配发酵获得的高效纤维质降解污泥的菌群对木薯酒精废液固形物的降解具有良好的优势性。
实施例2
本发明采用的CSTR厌氧反应装置结构如图1所示。厌氧反应器为CSTR反应器，采用全玻璃装置，反应装置体积为5L，实际有效反应体积为4.2L，液体上方设置气体储存室，发酵产生的气体经反应器上部密封装置气体出口外接软管导气管至专门的集气装置收集。反应器外部嵌有玻璃水浴夹层，通过水浴加热方式维持适宜的内部反应温度。实验采用机械搅拌方式使反应物质均匀混合，搅拌速度为5r/min。进水通过蠕动泵从配水槽进入反应器，反应器出水流入小型沉淀池。
实施例3
采用阶段提升容积负荷的方式运行反应器(如图2所示)，首先在中温条件下启动运行，启动容积负荷为2kgCOD/(m3.d)，进水TCOD为13333mg/L，经过23d厌氧处理反应器达到稳定运行，出水TCOD和SCOD分别为3591.3mg/L、2213.2mg/L，TCOD去除率为88-89％，容积负荷为5kgCOD/(m3.d)；45℃运行阶段反应器运行时间为19d，运行容积负荷为5kgCOD/(m3.d)，进水TCOD为13333mg/L，出水TCOD和SCOD分别为12568.6mg/L、7730.8mg/L，TCOD去除率为58％；高温55℃运行阶段采用容积负荷提升方式，经过长时间运行，反应器在进水TCOD为60000mg/L、温度为55℃和容积负荷为14kgCOD/(m3.d)条件下能够高效稳定运行，出水TCOD和SCOD分别为15367.6mg/L、10982.8mg/L，TCOD去除率达到70％～75％。
由图3可知，45℃运行阶段稳定期间甲烷浓度和日沼气产量最低，分别为27.4％，630mL，TCOD去除率58％；高温运行稳定阶段，甲烷浓度较为稳定48％，日沼气生产量在容积负荷为5、7、9、12、14kgCOD/(m3.d)条件下分别达到30200mL、5800mL、8000mL、13420mL、16700mL，此外，TCOD去除率分别为55.1％、53.8％、64.3％、75.1％、73.4％。
如图4所示，初期阶段当温度为45℃时，VFA浓度高达20000mg/L以上，pH低于6，这说明反应器出现酸化现象，运行至50d之后达到稳定阶段，反应器出水pH始终维持在7.1-7.8之间。一般认为产甲烷菌最适pH范围在6.8～7.2之间。在45℃条件下，反应器出现较为严重的酸化现象，通过加入碱性物质进行调节，控制VFA浓度最终维持在1400mg/L。高温运行阶段，VFA浓度随着容积负荷的提高呈先上升后下降的趋势，各稳定阶段出水中VFA浓度达到2400mg/L，出水中的pH始终保持在产甲烷菌生长范围之内，表现出较好的酸碱缓冲性能，起到非常良好的反应器稳定作用。
对反应期内的有机酸进行检测，结果如图5所示，整个厌氧发酵过程中，乙酸始终是主要代谢产物，在稳定状态下维持在2000mg/L左右，当反应器处于每个运行条件初始阶段时，体系中容易出现酸化状态，往往丙酸的浓度会大幅度增加，达到2520mg/L同时丁酸的浓度也会逐渐升高1550mg/L，造成pH显著下降，这说明丙酸和丁酸的升高是造成反应器酸化的主要原因之一。
实施例4不同容积负荷下CSTR厌氧反应拟合的动力学模型
参照以下的动力学模型控制反应器运行：
动力学模型的建立基于物料守恒而得，则有：
上述公式中，VR为反应器的体积(L)；mo为投加的物料量(L/d)；C0为投加物料有机物质的浓度(g/L)；c为反应器中有机物质的浓度(g/L)；r(c)为底物被消化的速率(g/L.d)；y为单位原料产气率(L/gTCOD)；ym为最大单位原料产气率(L/gTCOD)；
根据一级反应动力学:
其中，k为一级反应速率(d-1)。
根据HRT＝m0.VR,在稳定状态条件下，由以上(1)(2)两个公式可得:
此外，在厌氧反应过程中，在不同的时间t条件下，产气率和底物有机物质浓度有如下关系:
对方程式(4)转化可得，
其中，y(t)为单位原料产气率(L/gTCOD)。
由(3)和(5)方程式可得:
此外，根据容积负荷与水力停留时间的关系式Fr＝m0.HRT，(6)式可以转化得:
在公式(7)的条件下，k值可以根据HRT与y(t)/(ym-y(t))之间的拟合直线，而得拟合直线方程为，y＝38.18x-4.545，如图7。
此外，也可以通过拟合曲线图获得k、HRT和y(t)/(ym-y(t))三者之间的关系图，令y(t)/ym＝U，可以将公式(6)转化为，
图6为不同容积负荷下CSTR厌氧反应沼气产气率拟合直线，拟合直线方程为y＝-0.008x+0.335，通过对高温CSTR厌氧发酵过程中产气率进行拟合可以得到，最大产气率分别为0.335L/gTCOD，即单位原料产气率。
如图7，根据容积负荷与水力停留时间的关系式，可获得HRT与y(t)/(ym-y(t))之间的拟合直线，y＝38.18x-4.545。
如图8，根据令y(t)/ym＝U，根据容积负荷与水力停留时间的关系式可以得k、HRT与y(t)/(ym-y(t))之间的拟合曲线y＝0.552x2+0.743x，该拟合曲线图中，可根据之前图7所得到的k值和运行过程中所给定的y(t)，可以获得最佳的HRT。
该模型可以应用于木薯酒精废液CSTR厌氧发酵过程中的运行参数控制和优化。从产气率拟合曲线图6可得不同阶段的最大产气率ym，0.335L/gTCOD，通过HRT与y(t)/(ym-y(t))之间的拟合曲线图7可以得到一级动力学参数k*C0值为38.18g/(L·d)，根据CSTR进水有机物质浓度C051400mg/L，可以进一步获得k值为0.743d-1。再通过图8，在k值为0.743d-1时，根据所给定的y(t)值0.3L/gTCOD，可以获得该条件下最佳的HRT值11.5d和Fr值4.6kgCOD/(m3·d)。因此，该模型能够在给定的预产气率y条件下，得出相应的最佳HRT和Fr，对工程建设规模和成本预算具有一定的指导意义。

Claims (10)

1.一种处理木薯酒精废液的方法，其特征在于，将含有牛瘤胃微生物和产甲烷菌的高效纤维素降解菌群接种于木薯酒精废液中，进行连续式CSTR厌氧发酵产沼气。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高效纤维素降解菌群是按如下步骤制备获得：将牛瘤胃成分与含产甲烷菌的絮状厌氧污泥以VS比为1:0.8～1.2的比例进行混合后接种至以秸秆为原料的厌氧反应器中，经过厌氧发酵后制备获得。
3.根据权利要求1所述的方法，所述接种是以11～14gVS/L的量接种至CSTR反应器中。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述木薯酒精废液的VS为10～15g/L。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，按照阶段提升容积负荷的方式控制CSTR反应器运行。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述阶段提升容积负荷是依次按照2、5、7、9、12、14kgCOD/(m3·d)的容积负荷进行运行。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述阶段提升容积负荷是第0～7天以2kgCOD/(m3·d)运行，第8～61天以5kgCOD/(m3·d)运行，第62～80天以7kgCOD/(m3·d)运行，第81～120天以9kgCOD/(m3.d)运行，第121～149天以12kgCOD/(m3·d)运行，第122～178天以14kgCOD/(m3·d)运行。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第0～22d控制反应温度为35℃，第22～40d将温度提升至45℃，第40d后升温至55℃。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述HRT和产气率按下式计算：y＝0.552x2+0.743x；其中，y为y(t)/ym；y(t)为单位时间产气率，ym为最大产气率；x为水力停留时间HRT。
10.按权利要求1-9所述方法运行的酒精废液处理设备。
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