CN113213629A - 一种液体复合碳源的制备方法 - Google Patents

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肖添财
何星智
黄希翔
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Abstract

本发明公开了一种液体复合碳源的制备方法，利用糖蜜为主要原料，经过均质、酶解、分离、浓缩等工艺，将废糖蜜中微生物难以利用的大分子蛋白、糖类等物质转化为微生物易于利用的小分子醇类、多肽、氨基酸等物质，增强微生物对碳源的利用效率，提高污水的可生化性及脱氮效率，降低污水处理厂的碳源投加成本。并且，原料来源丰富，使糖蜜变废为宝，提高了资源的综合利用效率。

Description

一种液体复合碳源的制备方法
技术领域
本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种液体复合碳源的制备方法。
背景技术
目前污水处理厂常用碳源大多为甲醇、乙酸钠、葡萄糖等单一成分产品。甲醇属于易燃易爆危险化学品，在运输、储存、使用上均有很大风险性；乙酸钠反硝化速率快，可作为污水处理厂应急处理，但乙酸钠COD较低且价格昂贵，导致污水处理费用大幅增加；葡萄糖反硝化速率慢，脱氨效率低，无法保证出水稳定达标。
目前市场上也有用于污水处理的复合碳源，但其大多由甲醇、乙酸钠、葡萄糖或其他含碳化合物进行简单混合后制成，没有从根本上解决污水处理行业碳源成本高、反硝化能力差、投加量多、水质无法长期稳定达标的问题。
糖蜜作为制糖业的加工副产品，是一种深褐色、呈粘稠状、半流动的液体，仅在蔗糖加工过程中就能产生350万吨/年的废料糖蜜。糖蜜中可溶性碳水化合物含量较高，所含糖类几乎全为蔗糖及葡聚糖，约有40-50％之多，还含有8-10％的矿物质和少量的蛋白质。其产量大、成份复杂，能对环境产生严重的污染，为解决环境污染问题和提高糖厂的经济效益，糖蜜资源的高值化利用已得到人们的普遍重视，相关的应用开发技术也取得较大进展。目前，国内外普遍利用糖蜜直接作为饲料添加剂，或作为发酵原料生产高附加值产品，例如酒精、酵母、氨基酸、乳酸等。糖蜜的主要成分是糖类物质，包括蔗糖、葡萄糖、葡聚糖和果糖，一般含糖量在40～56％之间(以蔗糖计)，其中蔗糖的含量约24～36％，其它糖约12～24％。此外，糖蜜中粗蛋白含量约5～10％，矿物质含量约8～10％，还含有色素、维生素、无机盐、微量元素等多种微生物可利用成分。因此，糖蜜也可以作为优良、廉价的碳源物质应用于发酵领域中。经检索，目前还未见有利用糖蜜为主要原料生产用于污水处理的复合碳源。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种液体复合碳源的制备方法，利用糖蜜为主要原料，经过均质、酶解、分离、浓缩等工艺，将废糖蜜中微生物难以利用的大分子蛋白、糖类等物质转化为微生物易于利用的小分子醇类、多肽、氨基酸等物质，增强微生物对碳源的利用效率，提高污水的可生化性及脱氮效率，降低污水处理厂的碳源投加成本。并且，原料来源丰富，使糖蜜变废为宝，提高了资源的综合利用效率。
本发明采取的具体技术方案是：
一种液体复合碳源的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)均质：将废糖蜜和60～80℃温水按1:1～1:1.2的比例混合，搅拌30～60min，进行均质处理；均质后溶液升温至80～85℃，持续0.5～1h，然后冷却至40～45℃；
(2)酶解：将冷却后的溶液置入酶解罐并开启搅拌机，用酸调节溶液pH至4.0～4.5，在40～45℃下加入右旋糖酐酶和酸性蛋白酶，反应3～3.5h；将上述反应液用碱调节溶液pH至8.0～8.5，在35～40℃下加入耐高渗酵母，20～24h后检测全糖量<2％为反应终点；
(3)脱色分离：酶解后溶液升温至80～85℃，持续1～2h，然后冷却至35～40℃,在溶液中加入碱调节pH至6.5～7.5，加入100～300mg/L的硅藻土，搅拌30～60min进行澄清处理，沉淀1～2h后取上清液；
(4)过滤：用过滤器对分离上清液进行过滤；
(5)浓缩：将过滤液浓缩，即得成品。
优选地，所述右旋糖酐酶投加量为30000～35000U/kg；所述酸性蛋白酶的投加量为20000～25000U/kg。
优选地，所述耐高渗酵母接种量为(2～3)×106个/mL。
优选地，所述酸调节所用酸为有机酸。
优选地，步骤(5)中将过滤液浓缩至CODcr 9.5×105～1.0×106mg/L。
优选地，废糖蜜和60～80℃温水按1:1的比例混合。
优选地，所述右旋糖酐酶投加量为30000U/kg；所述酸性蛋白酶的投加量为20000U/kg。
优选地，加入右旋糖酐酶和酸性蛋白酶后反应时间为3h。
优选地，所述硅藻土的添加量为100mg/L。
本发明还提供了一种液体复合碳源由上述的制备方法制备而得。
本发明的有益效果是：
1.本发明将价格低廉、利用率低、处理难度大的糖厂副产品—糖蜜变废为宝，加工成高附加值的碳源产品；不仅降低了污水处理厂的碳源投加成本，并且提高了资源的综合利用效率。
2、在本发明的特定工艺参数下，酸性蛋白酶、右旋糖酐酶、耐高渗酵母将糖蜜中的蛋白和其他高分子物质酶解为有机醇、多肽、氨基酸等利于微生物吸收利用的低分子物质(酸性蛋白酶可将糖蜜中的粗蛋白酶解生成氨基酸、多肽；右旋糖酐酶可使糖蜜中高分子的粘性葡聚糖分解成低粘度的异麦芽糖和异麦芽三糖，使β-D-葡聚糖中的1,3-β-和1,4-β-糖苷键水解为寡糖和葡萄糖；耐高渗酵母可将糖类物质转化为有机醇类物质)。
3、本发明中硅藻土的添加除了具有分离澄清作用外，其多孔结构可富集碳源中的部分有效成分起到缓释作用，提高工艺系统对水质突变时的抗冲击性。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此，在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的范围内。
实施例1
一种液体复合碳源的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)均质：将废糖蜜和60℃温水按1:1的比例混合，搅拌30min，进行均质处理；均质后溶液升温至80～85℃，持续1h，然后冷却至40～45℃；
(2)酶解：将冷却后的溶液置入搅拌机并开启搅拌机，用有机酸(使用有机酸可进一步增加碳含量)调节溶液pH至4.0～4.5，在40～45℃下加入右旋糖酐酶和酸性蛋白酶(右旋糖酐酶投加量为30000U/kg；酸性蛋白酶的投加量为为20000U/kg)，反应3h；将上述反应液用碱调节溶液pH至8.0～8.5，在35～40℃下加入耐高渗酵母，20～24h后检测全糖量<2％为反应终点；
(3)脱色分离：酶解后溶液升温至80～85℃，持续1h，然后冷却至35～40℃,在溶液中加入氢氧化钠调节pH至6.5～7.5，加入100mg/L的硅藻土，搅拌30min进行澄清处理，沉淀1h后取上清液；
(4)过滤：用过滤器对分离上清液进行过滤；
(5)浓缩：将过滤液浓缩至CODcr 9.5×105～1.0×106mg/L，即得成品。
实施例2
一种液体复合碳源的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)均质：将废糖蜜和80℃温水按1:1.2的比例混合，搅拌30min，进行均质处理；均质后溶液升温至80～85℃，持续0.5h，然后冷却至40～45℃；
(2)酶解：将冷却后的溶液置入搅拌机并开启搅拌机，用有机酸(使用有机酸可进一步增加碳含量)调节溶液pH至4.0～4.5，在40～45℃下加入右旋糖酐酶和酸性蛋白酶(右旋糖酐酶投加量为35000U/kg；酸性蛋白酶的投加量为为25000U/kg)，反应3.5h；将上述反应液用碱调节溶液pH至8.0～8.5，在35～40℃下加入耐高渗酵母，20～24h后检测全糖量<2％为反应终点；
(3)脱色分离：酶解后溶液升温至80～85℃，持续2h，然后冷却至35～40℃,在溶液中加入氢氧化钠调节pH至6.5～7.5，加入300mg/L的硅藻土，搅拌60min进行澄清处理，沉淀2h后取上清液；
(4)过滤：用过滤器对分离上清液进行过滤；
(5)浓缩：将过滤液浓缩至CODcr 9.5×105～1.0×106mg/L，即得成品。
下面结合具体的案例对实施例1所生产的产品与现有技术之间在功能和结构上的不同之处进行说明：
1、内蒙古某城市污水处理厂，采用AAO工艺，污水处理规模2×104m3/d，进水水质：COD均值260mg/L、最低值118.0mg/L、最高值427.4mg/L，BOD/COD为0.3～0.4，TN均值55mg/L、最低值35.6mg/L、最高值90.1mg/L。出水为一级A标准，出水水质：COD 20～30mg/L，TN均值14mg/L左右、最低值12.1mg/L、最高值16.6mg/L。污泥参数：MLSS 6000～7000mg/L，MLVSS2000～2500mg/L，MLVSS/MLSS为0.3～0.35。该厂以食品级葡萄糖作为碳源投加，投加点为缺氧段进水，根据进水总氮波动情况适当调整葡萄糖的使用，每天投加葡萄糖2000kg～2500kg。该污水厂存在冬季处理难度大、污泥活性差、出水总氮不稳定、葡萄糖投加费用高的问题。
采用本发明的复合碳源在葡萄糖加药点进行投加，初始投加量1200kg/d，投加20h后出水TN从14.2mg/L降至12.7mg/L。24h后复合碳源投加量降低至1000kg/d，观察出水TN指标变化情况，1000kg/d投加量持续运行3天，出水TN 9.6～11.8mg/L。实验第5天将复合碳源投加量降低至800kg/d，持续运行一周，出水TN 7.2～8.5mg/L，出水COD 15.7～22.4mg/L。投加复合碳源一个月后，污泥MLVSS/MLSS提高至0.55。
投加复合碳源期间，进水TN均值62.4mg/L、最高值87.1mg/L，出水总氮稳定达标，待微生物驯养完成后，出水总氮稳定控制在9mg/L以下，碳源投加费用相比葡萄糖降低30％。以上数据表明本复合碳源具有微生物驯化期短、利用速率快、投加便捷、TN去除率高的特点，在保障出水达标的基础上降低了污水处理厂的碳源投加费用。
2、山东某工业园区污水处理厂，采用多级AO+混凝沉淀工艺，污水处理规模1×104m3/d，出水为一级A排放标准。进水水质：TP 10～15mg/L，TN均值55mg/L左右、最高值126.4mg/L，COD 300～400mg/L；碳源采用三水乙酸钠，投加在一段缺氧池进水口，每天投加1000kg；除磷剂使用三氯化铁，投加在混凝池进水口，每天投加500kg。该污水厂存在的问题是二段缺氧池脱氮能力差，出水总氮高于15mg/L。
使用本发明的复合碳源，投加量400kg/d，投加24h后一段缺氧池脱氮率从56.5％提高至65.7％，二段缺氧池脱氮率从9.8％提高至13.6％，出水总氮从19.3mg/L降低至14.6mg/L；投加72h后一段缺氧池脱氮率提高至71.3％，二段缺氧池脱氮率提高至23.5％，出水总氮降低至10.9mg/L，二段好氧池出水TP从6.5mg/L降低至4.3mg/L，混凝池除磷剂投加量降低23％，沉淀池出水TP从0.43mg/L降低至0.28mg/L。分析原因可能为：复合碳源的投加增强了微生物的处理能力，生物脱氮除磷效率均有所提高；污水厂为多级AO工艺，一段和二段缺氧池停留时间均为1.2h，投加乙酸钠时，乙酸钠在一段缺氧池被完全消耗，二段缺氧池水体C/N比值较低导致二段缺氧反硝化效率低下，投加本发明的复合碳源后，复合碳源中的速效组分和部分中效组分在一段缺氧池被消耗，一段缺氧脱氮率提高，剩余中效组分进入至二段缺氧池，增加了二段缺氧池的C/N比值，加之碳源的缓释作用使得二段缺氧反硝化速率提高。
尽管已经对上述各实施例进行了描述，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改，所以以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种液体复合碳源的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)均质：将废糖蜜和60～80℃温水按1:1～1:1.2的比例混合，搅拌30～60min，进行均质处理；均质后溶液升温至80～85℃，持续0.5～1h，然后冷却至40～45℃；
(2)酶解：将冷却后的溶液置入酶解罐并开启搅拌机，用酸调节溶液pH至4.0～4.5，在40～45℃下加入右旋糖酐酶和酸性蛋白酶，反应3～3.5h；将上述反应液用碱调节溶液pH至8.0～8.5，在35～40℃下加入耐高渗酵母，20～24h后检测全糖量<2％为反应终点；
(3)脱色分离：酶解后溶液升温至80～85℃，持续1～2h，然后冷却至35～40℃,在溶液中加入碱调节pH至6.5～7.5，加入100～300mg/L的硅藻土，搅拌30～60min进行澄清处理，沉淀1～2h后取上清液；
(4)过滤：用过滤器对分离上清液进行过滤；
(5)浓缩：将过滤液浓缩，即得成品。
2.根据权利要求1所述一种液体复合碳源的制备方法，其特征在于，所述右旋糖酐酶投加量为30000～35000U/kg；所述酸性蛋白酶的投加量为20000～25000U/kg。
3.根据权利要求1所述一种液体复合碳源的制备方法，其特征在于，所述耐高渗酵母接种量为(2～3)×106个/mL。
4.根据权利要求1所述一种液体复合碳源的制备方法，其特征在于，所述酸调节所用酸为有机酸。
5.根据权利要求1所述一种液体复合碳源的制备方法，其特征在于，步骤(5)中将过滤液浓缩至CODcr 9.5×105～1.0×106mg/L。
6.根据权利要求1-5所述一种液体复合碳源的制备方法，其特征在于，废糖蜜和60～80℃温水按1:1的比例混合。
7.根据权利要求6所述一种液体复合碳源的制备方法，其特征在于，所述右旋糖酐酶投加量为30000U/kg；所述酸性蛋白酶的投加量为20000U/kg。
8.根据权利要求7所述一种液体复合碳源的制备方法，其特征在于，加入右旋糖酐酶和酸性蛋白酶后反应时间为3h。
9.根据权利要求6所述一种液体复合碳源的制备方法，其特征在于，所述硅藻土的添加量为100mg/L。
10.一种液体复合碳源，其特征在于，由权利要求1-5任一项所述的制备方法制备而得。
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