張靜, 翟芳芳, 張建華, 孫付保, 張宏健, 毛忠貴＊

(1.江南大學工業(yè)生物技術教育部重點實驗室,江蘇無錫 214122;2.江南大學生物工程學院,江蘇無錫 214122)

酒精沼氣雙發(fā)酵偶聯(lián)中厭氧沼氣的發(fā)酵行為

張靜1,2, 翟芳芳1,2, 張建華1,2, 孫付保1,2, 張宏健1,2, 毛忠貴＊1,2

(1.江南大學工業(yè)生物技術教育部重點實驗室,江蘇無錫 214122;2.江南大學生物工程學院,江蘇無錫 214122)

在酒精沼氣雙發(fā)酵偶聯(lián)新技術中,研究了一級高溫(60℃)厭氧消化液(化學需氧量COD 20 000 mg/L左右)直接作為酒精發(fā)酵配料用水的工藝。結果表明:隨著循環(huán)批次的增加,厭氧沼氣發(fā)酵過程中可溶性 COD(sCOD)、可溶性總氮(TN)逐步累積;可溶性總磷(TP)和磷酸鹽(PO43--P)未見累積;乙酸、丙酸逐步累積但丁酸未見累積。電導率在循環(huán)4批之后基本穩(wěn)定。高溫厭氧消化液中累積的乙酸鹽、丙酸鹽導致了酒精發(fā)酵時間的延長。一級高溫厭氧消化液再串接第二級中溫(35℃)厭氧降解(COD 2 000 mg/L左右),使得雙發(fā)酵偶聯(lián)工藝順利進行。

酒精;沼氣;雙發(fā)酵 ;循環(huán);累積

酒精是食品、醫(yī)藥、化工等行業(yè)的重要原料。隨著全球能源的短缺,酒精作為一種清潔環(huán)保的生物質能源受到人們的普遍關注。國內外對木薯酒精蒸餾廢水的處理做了大量的研究。目前普遍采用的工藝流程是:酒精蒸餾廢液→高溫厭氧處理→中溫厭氧處理→好氧處理→達標排放。上述模式的根本弊端在于大規(guī)模的低濃度廢水好氧處理能耗巨大,大量好氧污泥形成了新的污染,且各項環(huán)境指標完全“達標”十分困難,潛在的環(huán)境威脅依然存在。由此,國內外探索部分使用酒精蒸餾廢液作為下一批次酒精發(fā)酵的工藝配料水的方法[1-2],蒸餾廢液的部分循環(huán)回用使酒精行業(yè)向清潔生產的方向邁出了一大步,但是酒精蒸餾廢液的回用依然存在著諸多問題。例如酸性熱廢液對固液分離裝備腐蝕性大、廢液p H值為3.8,與淀粉酶適宜的p H 6.0不匹配,需外加堿上調p H值;引入了使發(fā)酵液滲透壓增大的無機離子;蛋白質類物質隨循環(huán)而累積造成發(fā)酵液粘度增大不利于固液分離;發(fā)酵時間的延長等等。按生態(tài)學的視角,酒精蒸餾廢液的回用不符合生態(tài)營養(yǎng)鏈理論,酒精發(fā)酵時酵母排出的代謝末端產物是酵母生理有害無益的物質,它們隨蒸餾廢液進入下一批次的酒精發(fā)酵,勢必對酵母細胞的繁殖和發(fā)酵產生不利影響。為解決這一問題,作者所在研究室研究人員在前期研究中發(fā)現(xiàn)并證實,使用酒精蒸餾廢液經二級沼氣發(fā)酵后的消化液(沼液)作為酒精發(fā)酵的工藝配料水是可行的[4]。

沼氣發(fā)酵菌群是生物界最后的分解者。它們將復雜有機物分解成簡單的有機和無機小分子物質,理論上存在可降解酵母代謝末端產物,解除沼液循環(huán)對酵母生長抑制的可能性。

作者通過沼液全循環(huán),實現(xiàn)了酒精和沼氣雙發(fā)酵的偶聯(lián)。重點研究了一級高溫厭氧沼液直接循環(huán)作為酒精發(fā)酵工藝配料水時的高溫厭氧發(fā)酵行為,考察了循環(huán)過程中基本物質的變化及其對雙發(fā)酵偶聯(lián)過程的影響,最后與“高溫+中溫”二級厭氧的沼液循環(huán)進行了對比。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置與材料

酒精發(fā)酵罐:10 L,上海保興生物工程設備有限公司制造;上流式厭氧污泥床反應器(UASB):自制,有效容積為12 L,其中反應區(qū)為10 L,沉降區(qū)為2 L。高溫厭氧以恒溫循環(huán)水浴控制反應區(qū)溫度在(60±1)℃

木薯:河南天冠集團提供;污泥:采自江蘇某木薯酒精廠。

1.2 分析方法

p H測定:采用 PHS-3TC型p H計;COD:國標(GB11914-89)重鉻酸鉀氧化法;可溶性 COD(sCOD):過0.45μm微孔濾膜除去固形物,用國標重鉻酸鉀法測定;可溶性總磷(TP):過硫酸鉀氧化-鉬銻抗分光光度法[5];可溶性正磷酸鹽(PO43--P):鉬銻抗分光光度法[5];可溶性總氮(TN):過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法[5];V FA s:氣相色譜法(GC112A);電導率:DDS-111C電導率儀測定。

1.3 酒精沼氣雙發(fā)酵偶聯(lián)厭氧消化液全回用工藝流程

酒精沼氣雙發(fā)酵偶聯(lián)厭氧消化液全回用工藝流程見圖1。

2 結果與分析

2.1 雙發(fā)酵偶聯(lián)一級高溫厭氧沼液直接循環(huán)配料與COD的變化關系

圖1 雙發(fā)酵偶聯(lián)厭氧消化液全回用工藝流程Fig.1 The flow sheet of amaerobic diqestion liquid full reused in a coupled fermentation process

一級高溫厭氧反應器帶渣運行,期間進出水COD、sCOD、反應器的容積負荷以及COD、sCOD的去除率見圖2。在沼氣發(fā)酵開始階段,由于容積 負荷過高,處理效率有所下降,出現(xiàn)了反應器的酸化跡象,所以在第7天、第10天停止進水以使沼氣發(fā)酵回復到正常狀態(tài)。其中第1,2批酒精發(fā)酵采用自來水作為配料水,以后各批酒精發(fā)酵直接使用一級高溫厭氧出水作為配料水。其中第3批酒精發(fā)酵的配料水并未離心去除固體泥渣,從圖2中可以看出第3批酒精廢水的sCOD及TCOD都較第4批酒精廢水高。

從圖2可以看出,一級厭氧反應器的進水COD及sCOD、出水sCOD隨循環(huán)呈現(xiàn)上升趨勢,表明雙發(fā)酵偶聯(lián)過程中存在某些可溶性物質隨循環(huán)不斷累積。分析酒精沼氣雙發(fā)酵全過程,sCOD的累積可能是:一級高溫沼氣發(fā)酵時因某種原因抑制了甲烷菌將底物小分子有機物轉化為甲烷的活力造成的。sCOD的累積又與酒精發(fā)酵終點延長呈正相關,甲烷的前體物質多是小分子有機酸,因此有必要對一級高溫厭氧出水中的乙酸、丙酸等揮發(fā)性小分子有機酸進行分析和研究。

圖2 沼氣發(fā)酵過程中TCOD、sCOD的變化(虛線表示循環(huán)批次)Fig.2 Process curve of COD,sCOD duringmethane fermentation

2.2 沼氣發(fā)酵過程中揮發(fā)酸及p H值的變化情況

圖3表明,在雙發(fā)酵偶聯(lián)過程中,高溫厭氧沼氣發(fā)酵出水中的乙酸、丙酸、丁酸質量濃度隨循環(huán)和發(fā)酵天數的變化情況。隨著循環(huán)批次的增加,乙酸和丙酸呈現(xiàn)明顯的累積現(xiàn)象,丁酸未見累積。雖然出水中含有大量的有機酸,但是出水p H值始終穩(wěn)定在7.6左右,說明高溫厭氧反應器中含有可中和有機酸的堿性物質。乙酸的累積還表明甲烷菌的活性受到抑制。

抑制甲烷菌活性,使乙酸、丙酸累積的物質主要來自兩個方面:1)來自有機酸自身的抑制,由于開始階段有機負荷偏高,產生了較高質量濃度的有機酸,高質量濃度的有機酸引起“酸中毒”,抑制了甲烷菌等的活性。其中丙酸是許多細菌的中間代謝產物,被轉化為乙酸的速度最慢,而且對甲烷菌的毒性最強,甲烷菌對丙酸的耐受質量濃度在1 000 mg/L以下[6];2)硫酸鹽的競爭性抑制[7]以及硫化物對甲烷菌的毒害作用[8],導致乙酸和丙酸累積,而硫酸鹽是酒精發(fā)酵初醪,需用硫酸調節(jié)至p H 4.0。

在雙發(fā)酵循環(huán)外的單因素實驗中發(fā)現(xiàn),一定質量濃度的乙酸和丙酸對酵母生長、酒精發(fā)酵都有抑制作用,當乙酸質量濃度達到4 g/L或者丙酸質量濃度達到1 g/L時,對酒精發(fā)酵抑制作用相當明顯。主要表現(xiàn)為:酒精發(fā)酵液中一定質量濃度范圍的乙酸或者丙酸,將導致酒精發(fā)酵時間的延長,但產酒率并不降低。這一結果與雙發(fā)酵循環(huán)過程中酒精發(fā)酵終點時間延長、產酒率基本穩(wěn)定的實驗結果一致。因此可判斷,一級高溫厭氧出水中的乙酸、丙酸是抑制酒精發(fā)酵,最終造成酒精發(fā)酵終點延長的主要原因。為使雙發(fā)酵偶聯(lián)工藝順利運行,需降低小分子有機酸在沼液中的質量濃度。從第7批循環(huán)開始,對一級高溫 UASB串接了二級中溫UASB,以降低沼液中乙酸、丙酸的質量濃度,試驗結果見表1。二級中溫厭氧出水的乙酸、丙酸等已降至影響酒精發(fā)酵的質量濃度以下,酒精發(fā)酵抑制予以解除,發(fā)酵時間恢復正常。與張成明[4]等人直接用二級厭氧出水為酒精發(fā)酵配料水的研究結論一致,基本得出二級厭氧出水(COD 2 000 mg/L左右)可以作為酒精發(fā)酵配料水多次循環(huán)使用的結論。

圖3 沼氣發(fā)酵過程中乙酸、丙酸、丁酸和pH值的變化(虛線表示循環(huán)批次)Fig.3 Process curve of acetic,propionic,butyric acid and pH during methane fermentation

表1 一級厭氧處理及二級厭氧處理后主要參數的對比Tab.1 Comparison of the key parameters between one and two stage anaerobic digestion treatments

2.3 雙發(fā)酵偶聯(lián)對沼氣發(fā)酵氮、磷的影響

酒精發(fā)酵過程中,每批次添加0.3 g/dL的尿素作為氮源,依靠木薯本身的磷作為營養(yǎng)鹽滿足酵母生長的需要,不另外添加磷營養(yǎng)鹽,酒精蒸餾廢水中的可溶性 TN、可溶性 TP及 PO43--P隨循環(huán)的變化趨勢見圖4、5。循環(huán)過程中進出水可溶性 TN累積趨勢明顯,蒸餾廢液和高溫厭氧出水中的可溶性TP及PO43--P穩(wěn)定,并沒有出現(xiàn)明顯的累積現(xiàn)象。其中第3批蒸餾廢水的可溶性 TP和PO43--P陡增,這是由于第3批酒精發(fā)酵的配料水含有大量的厭氧菌體。從圖4可以看出,運行至16 d的時候,出水可溶性總氮幾乎和進水可溶性總氮相同。第20～24天時,可溶性總氮明顯下降,是由于在第5批以后的沼氣發(fā)酵過程中對反應器的上升流速進行了更改,由原來的1.5 m/h提高到了3 m/h,以期降低厭氧出水中有機酸的質量濃度,但上升流速的改變并未使有機酸質量濃度降低。由于反應器不是完全密封的,反應器的最上部與空氣接觸,硝化細菌進行了硝化反應,內循環(huán)使得硝化、反硝化、氨氧化[10]等反應反復進行,使得氮變成氮氣,脫離整個循環(huán)系統(tǒng),厭氧出水可溶性總氮含量下降。但是反應器對氮的降解能力畢竟是有限的,隨著循環(huán)批次的增多,蒸餾廢水的可溶性總氮不斷增多,出水可溶性總氮也隨之增多,這從厭氧出水中的可溶性總氮整體呈上升趨勢中可以看出。由圖5可知,在整個循環(huán)過程中,可溶性 TP和 PO43--P在蒸餾廢液和高溫厭氧出水過程中都未出現(xiàn)明顯的波動。整個循環(huán)體系中除木薯外未加入另外的磷源,高溫厭氧菌對酒精蒸餾廢液中磷的降解和吸收在一定程度上達到了平衡,內循環(huán)使得磷也發(fā)生著聚磷和釋磷兩種反應,反應器上部發(fā)生的聚磷反應使得高溫厭氧出水中的可溶性TP和PO43--P維持在一個穩(wěn)定的水平。

2.4 一級厭氧出水直接循環(huán)對電導率的影響

圖4 沼氣發(fā)酵過程中可溶性總氮的變化(虛線代表循環(huán)批次)Fig.4 Variations of total soluble nitrogen during the operation of methane fermentation(broken line indicates the circulation batch)

圖5 沼氣發(fā)酵過程中可溶性總磷,正磷酸鹽的變化(虛線代表循環(huán)批次)Fig.5 Process curve of TP,PO4 3--P during methane fermentation

由于在循環(huán)過程中加入了木薯,木薯經酒精發(fā)酵后厭氧分解,其中含有的鉀、鈉等可能以離子的形式累積,酵母種子液中含有一定量的營養(yǎng)鹽,在循環(huán)過程中每批次都加入一定量的種子液,即加入一定量的無機離子,無機離子累積會對細胞滲透壓等造成影響,但同時無機離子中的鈣、鎂等離子是酵母某些重要酶合成的必須離子,適當的無機離子有利于酵母更好的生長和酒精發(fā)酵。同時,一定質量濃度的鈉鹽可能對甲烷菌的活性有促進作用[11], 因此通過考察電導率的方式考察了無機離子的變化規(guī)律,結果見圖6。高溫厭氧出水的電導率在經過第3批、第4批的較大幅度的上升后,基本穩(wěn)定在1.4μs/cm左右,這說明無機離子的質量濃度基本穩(wěn)定。無機離子穩(wěn)定的原因主要是高溫厭氧出水中含有大量未被降解的木質纖維素,它可以作為吸附劑吸附大量的離子,經離心后污泥排出整個循環(huán)體系。因此,循環(huán)過程中離子質量濃度在經歷一個明顯的上升階段之后,基本穩(wěn)定在一定的范圍以內。

3 結 語

1)一級高溫厭氧循環(huán)過程中sCOD累積,并且sCOD的累積主要是由于高溫厭氧出水中含有的乙酸和丙酸累積引起的。乙酸、丙酸的累積是造成酒精發(fā)酵時間延長的主要原因。

2)各種形式的磷酸鹽在一級高溫循環(huán)過程中未發(fā)生明顯累積,高溫厭氧出水中可溶性 TP和PO43--P質量濃度穩(wěn)定。高溫厭氧出水可溶性總氮累積,對高溫沼氣發(fā)酵采用中溫降解后,配料水中可溶性總氮質量濃度穩(wěn)定。

圖6 沼氣發(fā)酵過程中電導率的變化(虛線代表循環(huán)批次)Fig.6 The curve of conductivity during methane fermentation

3)在循環(huán)過程中,離子質量濃度在大幅度上升之后穩(wěn)定在一定的范圍內,并未隨循環(huán)批次的增加而不斷上升。

4)在雙發(fā)酵過程中,酒精發(fā)酵的產酒率并未降低,制約循環(huán)繼續(xù)進行的主要障礙是沼氣發(fā)酵過程中累積乙酸和丙酸引起的酒精發(fā)酵時間的延長,因此應當采取一定的措施使得厭氧消化液中有機酸的含量減少到影響酒精發(fā)酵時間的質量濃度以下,可作為酒精發(fā)酵的配料水使用。

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The Behavior of Anaerobic Fermentation in the Technique of Alcohol Fermentation Cooperate with Methane Fermentation

ZHANG Jing1,2, ZHAI Fang-fang1,2, ZHANG Jian-hua1,2,SUN Fu-bao1,2, ZHANG Hong-jian1,2, MAO Zhong-gui＊1,2

(1.Key Laboratory of Industrial Biotechnology,Ministry of Education,Jiangnan University,Wuxi 214122,China;2.School of Biotechnology,Jiangnan University,Wuxi 214122,China)

In this manuscript,the characteristics of the alcohol fermentation couple with methane production was study.The results showed that soluble COD,soluble TN ,acetic acid and propionic acid were gradually accumulated during the methane fermentation.How ever,without any PO43--P and butyric acid was found.The conductivity has remained unchanged after four cycle.It was found that the accumulation of acetic acid and propionic acid led to the extension of alcohol fermentation.

alcohol,methane,double-fermentition,cycle,accumulation

TQ 920.6

A

1673-1689(2010)02-0276-06

2009-05-11

國家863計劃項目(2008AA 10Z338)。

＊

毛忠貴(1954-),男,江蘇溧水人,工學碩士,教授,博士生導師,主要從事清潔生產、功能性物質開發(fā)及纖維資源高值轉化方面的研究。Email:maozg@vip.163.com

(責任編輯:李春麗)