蘇先峰，徐健,2，鮑家偉，張宏建*，毛忠貴*

1(江南大學(xué) 生物工程學(xué)院，工業(yè)生物技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫，214122) 2(湖北工業(yè)大學(xué) 生物工程與食品學(xué)院，湖北 武漢，430000)

檸檬酸作為一種極其重要的有機(jī)酸，被廣泛應(yīng)用于食品、化工、醫(yī)藥等領(lǐng)域[1-2]。我國檸檬酸生產(chǎn)主要采用木薯和玉米淀粉作為發(fā)酵原料，每生產(chǎn)1 t檸檬酸會產(chǎn)生7.5～15 m3的發(fā)酵廢水。發(fā)酵廢水具有低pH、高COD濃度等特點(diǎn)[3-4]。我國檸檬酸產(chǎn)量和出口常年位居世界首位，大量發(fā)酵廢水的有效處理給企業(yè)帶來了巨大挑戰(zhàn)。隨著國家環(huán)保監(jiān)測的越來越嚴(yán)格，檸檬酸廢水治理問題日益突出。目前，檸檬酸行業(yè)普遍采用厭氧-好氧-深度處理工藝來處理發(fā)酵廢水，雖然厭氧處理具有高效率、低能耗優(yōu)勢[4]，但好氧單元具有純消耗、零收益、占地面積廣等問題[5]，工藝的經(jīng)濟(jì)性尚不能讓人滿意。

為解決好氧單元弊端以及減少新鮮水用量，本實(shí)驗(yàn)室提出檸檬酸沼氣雙發(fā)酵耦聯(lián)工藝，如圖1所示。木薯和玉米淀粉作為原料，以黑曲霉作為生產(chǎn)菌株，生產(chǎn)檸檬酸。提取后的發(fā)酵廢水進(jìn)入?yún)捬醴磻?yīng)器，在厭氧菌群的作用下，將大量有機(jī)物轉(zhuǎn)為沼氣。厭氧消化液經(jīng)資源化處理后作為配料水，回用于下一批檸檬酸發(fā)酵，從而解決廢水排放問題以及減少新鮮水用量[6]。

圖1 檸檬酸沼氣雙發(fā)酵耦聯(lián)工藝流程圖Fig.1 Flow chart of integrated citric acid-methane production process

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，厭氧消化液中最主要的抑制因子為高濃度Na+和Na4+[7]，故采用電滲析和空氣吹脫以消除抑制作用[8]。但是，當(dāng)前工藝還存在一些問題。電滲析在對厭氧消化液進(jìn)行脫鹽時，由于淡水中Ca2+、Mg2+以及在電場力作用下遷移至濃水，故濃水發(fā)生嚴(yán)重結(jié)垢現(xiàn)象。膜表面的結(jié)垢會導(dǎo)致電滲析離子交換膜脫鹽性能下降、膜電阻增加以及能耗增加[9]。為評估電滲析進(jìn)水水質(zhì)類型和消除結(jié)垢現(xiàn)象，引入朗格利爾飽和指數(shù)(Langelier saturation index, LSI)。當(dāng)LSI<0時，水體有腐蝕傾向，可以繼續(xù)溶解碳酸鈣；LSI=0，水體無腐蝕和結(jié)垢傾向；LSI>0，水體有結(jié)垢傾向，產(chǎn)生碳酸鈣沉淀[10]?？諝獯得摓榱颂岣呙摪毙?，將厭氧消化液升溫并維持在55 ℃，這一過程需要消耗大量能源。另外，電滲析可以將從淡水室濃縮至濃水室[11]，完全可以取代空氣吹脫，從而實(shí)現(xiàn)脫氨的目的。超濾以壓差作為推動力，通過膜孔的篩分作用將料液中大于膜孔的大分子溶質(zhì)截留，實(shí)現(xiàn)大分子與溶劑以及小分子的分離[12]。超濾憑借其操作簡單、條件溫和，而被廣泛應(yīng)用為納濾、反滲透以及電滲析等深度膜處理的預(yù)處理手段[13-14]。本文研究了石灰軟化的投加量對硬度降低的效果，超濾的操作條件對透過液通量的影響，以及經(jīng)電滲析處理后的厭氧消化液回用發(fā)酵情況，以期證明改進(jìn)后的工藝可行性，為檸檬酸行業(yè)的清潔生產(chǎn)與持續(xù)發(fā)展提供新的角度。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 菌株與培養(yǎng)基

本文采用實(shí)驗(yàn)室保藏的黑曲霉(Aspergillusniger)MZ-11。土豆葡萄糖瓊脂(PDA)培養(yǎng)基用于菌株的培養(yǎng)和保藏，其成分(g/L)為：200土豆、20葡萄糖、1.5 MgSO4、3 KH2PO4和20瓊脂。

1.1.2 原料與試劑

木薯和玉米均由河南天冠企業(yè)集團(tuán)有限公司提供。耐高溫α-淀粉酶(酶活力為20 000 U/mL)，由無錫杰能科生物工程公司提供。中溫厭氧消化顆粒污泥由宜興協(xié)聯(lián)生物化學(xué)有限公司提供。其余均為市售分析純化學(xué)試劑。

1.1.3 設(shè)備

組合搖床(HYL-C)，太倉強(qiáng)樂實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；SBA-40B型葡萄糖生物傳感器，山東省科學(xué)院生物研究所；電滲析器及離子交換膜，山東天維膜技術(shù)有限公司；超濾小型試驗(yàn)設(shè)備(PL-T2-500)，安徽普朗膜技術(shù)有限公司；高效液相色譜儀(Ulti Mate 3000)，美國 Dionex公司；分析柱為美國Bio-Rad公司HPX-87 H 型離子交換柱；示差折光檢測器(R1-101)，日本Shodex公司；分光光度計(UV-2100)，上海尤尼柯儀器有限公司；5 L 上流式厭氧污泥床(UASB)反應(yīng)器，上海大明教育儀器有限公司；磁力攪拌器(78-1)，江蘇金壇市榮華儀器制造有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 種子培養(yǎng)

木薯粉碎后過40目篩，按照料水質(zhì)量比為1∶3.6，加入去離子水混合，配制種子培養(yǎng)基。30%的H2SO4或2 mol/L NaOH調(diào)節(jié)pH值至6.0，按照10 U/g添加淀粉酶，沸水浴保溫2 h。液化結(jié)束后冷卻至室溫，去離子水補(bǔ)充液化過程中的蒸發(fā)水分，調(diào)節(jié)pH值至5.5并添加1 g/L (NH4)2SO4作為種子培養(yǎng)所需氮源。按照70 mL/L分裝至1 L錐形瓶中，于115 ℃溫度下滅菌20 min。無菌水配制濃度為6.0×106個的均勻孢子懸液，取10 mL接入裝有70 mL無菌種子培養(yǎng)基的1 L錐形瓶中。在(36±1)℃、200 r/min條件下培養(yǎng)21 h。

1.2.2 檸檬酸發(fā)酵

木薯和玉米粉碎后過40目篩，按照質(zhì)量比4∶1混合，并按照料水比體積1∶4.5，加入工藝用水混合，配制發(fā)酵培養(yǎng)基。發(fā)酵培養(yǎng)基液化過程同種子培養(yǎng)基，液化結(jié)束后pH值調(diào)至5.5，添加去離子水控制總糖濃度為160 g/L。按照34 mL裝液量分裝至500 mL錐形瓶中，于115℃溫度下滅菌20 min。接種量為15%(v/v)，在(37.5±1)℃、260 r/min條件下培養(yǎng)92 h。所有搖瓶實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。

1.2.3 上流式厭氧污泥床(UASB)消化條件

厭氧消化過程在5 L上流式厭氧污泥床中進(jìn)行的。污泥接種量為30%(v/v)，反應(yīng)器溫度控制在(35±1)℃，檸檬酸沸水進(jìn)樣體積為500 mL/d，COD平均去除率為(94.1±2.5)%。

1.2.4 Ca(OH)2處理厭氧消化液

1.2.5 超濾處理

表1 檸檬酸厭氧消化液的化學(xué)性質(zhì)Table 1 Chemical characterization of citric acid anaerobic digestion effluent

1.2.6 電滲析處理

電滲析器由3個獨(dú)立的循環(huán)流道組成，分別為淡水、濃水和極水。每個流道含有1 個循環(huán)泵、1個轉(zhuǎn)子流量計(0～100 mL/min)和1 個1.5 L 水槽。膜堆由2塊鈦度釕極板、21張均相陽離子交換膜和20張均相陰離子交換膜組成。極水為0.1 mol/L Na2SO4溶液。每次實(shí)驗(yàn)時，待脫鹽的厭氧消化液體積為2 L，按照淡濃水體積比為8∶2(淡水1.6 L，濃水 0.4 L)，分別置入淡水水槽和濃水水槽。電滲析操作電壓為10 V，流量為60 mL/min。為確保厭氧水回用時鈉離子質(zhì)量濃度低于200 mg/L[17]，故淡水電導(dǎo)率降低至600 μs/cm為電滲析脫鹽實(shí)驗(yàn)結(jié)束的終點(diǎn)。

1.3 分析方法

總糖和殘總糖測定：樣品采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的HCl于沸水浴中水解2 h，冷卻后用NaOH調(diào)pH值至中性，通過SBA-40B型葡萄糖生物傳感器測定[18]。

檸檬酸、葡萄糖和異麥芽糖含量測定：利用高效液相色譜儀進(jìn)行檢測。流動相為5 mmol/L H2SO4，流速為0.6 mL/min，進(jìn)樣量為20 μL，柱溫為60 ℃。

堿度、硬度、濁度、電導(dǎo)率、氨氮、揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)均采用標(biāo)準(zhǔn)方法[19]測定，并且堿度與硬度折合為CaCO3來計算。

(4)能力提高：淤試題講評課中強(qiáng)化閱讀微技能的使用，以此加強(qiáng)學(xué)生在做題中自覺運(yùn)用所學(xué)閱讀技巧和解題策略的意識和習(xí)慣，提高學(xué)生在語篇中準(zhǔn)確、快速獲取信息的能力。于加強(qiáng)閱讀、提高學(xué)生的閱讀興趣。除了試題中的閱讀材料，教師要幫助學(xué)生選擇并鼓勵學(xué)生閱讀原汁原味的、貼近生活、題材新穎、富有時代氣息的文章(和高考選材接軌，如：英文報紙雜志)，以此提高學(xué)生的閱讀理解能力、英語思維能力、綜合認(rèn)知能力；培養(yǎng)文化品格、思維品質(zhì)；開闊視野、拓展知識面、與時俱進(jìn)。

電滲析能耗根據(jù)文獻(xiàn)所用方法[20]計算。

朗格利爾飽和指數(shù)(LSI)是1936年朗格利爾(Langelier)提出的關(guān)于水中碳酸氫鹽溶解平衡的理論，描述的是碳酸鈣固體與水中存在的二氧化碳之間的平衡關(guān)系表達(dá)式，其計算公式[21]如下：

LSI=pH-pHs

pHs=(9.3+A+B)-(C+D)

2 結(jié)果與討論

2.1 未軟化的厭氧消化液對電滲析影響

2.2 Ca(OH)2投加量的影響

Ca(OH)2投加量對厭氧消化液化學(xué)性質(zhì)的影響如表3所示。由表3可知，Ca(OH)2投加量從1.5增加至3.0 g/L時，隨著Ca(OH)2添加量的增加，靜置后上清液中堿度、鈣硬度和鎂硬度均呈下降趨勢。在2.5 g/L投加量下，鈣硬度下降趨勢變緩慢。在3.0 g/L投加量下，鈣硬度降到最低值，鎂硬度基本去除，這是因?yàn)槿芤簆H值遠(yuǎn)大于Mg(OH)2完全沉淀時pH值( pH=10.87)。在Ca(OH)2投加量為3.5 g/L時，堿度略微上升，而鈣硬度急劇增加，說明有部分反應(yīng)剩余的Ca(OH)2溶解。隨著Ca(OH)2投加量的增加，上清液的電導(dǎo)率呈現(xiàn)先下降后升高趨勢，這是因?yàn)橥都覥a(OH)2軟化過程中，、OH-、Ca2+和Mg2+相互反應(yīng)的結(jié)果，尤其后期電導(dǎo)率的升高也來源于過量的Ca(OH)2溶解。

表3 Ca(OH)2投加量對厭氧消化液化學(xué)性質(zhì)的影響Table 3 Effects of lime dosage on chemical characterization of anaerobic digestion effluent

實(shí)驗(yàn)得出的最佳Ca(OH)2投加量為2.5 g/L，這與理論計算值1.40 g/L差距很大。首先，厭氧消化液中含有未降解的有機(jī)物，可能會隨著軟化pH值的升高而部分沉降。沉降的有機(jī)物和軟化生成的CaCO3、Mg(OH)2晶體會將部分Ca(OH)2固體粉末包裹在內(nèi)，阻止其向水中溶解，從而影響軟化效果，間接增加了Ca(OH)2軟化用量[23]。其次，在軟化效果受上述原因被削弱基礎(chǔ)上，Ca(OH)2微溶于水的特性更是加劇了投加量的增加。綜上所述，考慮到因被包裹在內(nèi)而損失量和為推動軟化反應(yīng)進(jìn)行，Ca(OH)2的投加量應(yīng)遠(yuǎn)超過一般情況下的0.2～0.4 mmol/L[23]。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，故將投加量定為2.5 g/L。

2.3 軟化后靜置時間對厭氧消化液余濁的影響

當(dāng)Ca(OH)2投加量為2.5 g/L時，軟化后余濁隨時間變化的趨勢如圖2所示。由于Ca(OH)2溶解緩慢，并且其軟化效果受到多方面因素影響，故厭氧消化液pH值上升速度很慢。當(dāng)攪拌時間為100 min時，溶液pH值出現(xiàn)小幅度的增加，從11.74增加到12.01。這說明軟化反應(yīng)結(jié)束，剩余的Ca(OH)2開始溶解，可以停止攪拌靜置沉淀。在靜置過程中，pH值基本維持在12.05附近不變，這是因?yàn)镃a(OH)2隨著CaCO3、Mg(OH)2晶體以及有機(jī)物松散絮體一起抱團(tuán)沉降，溶解作用下降。當(dāng)剛停止攪拌時，厭氧消化液上清液濁度最高。一方面，厭氧消化液含有未被降解的有機(jī)物以及少量夾帶的絮狀污泥，故水體本身初始濁度高。另一方面，由于軟化過程中生成大量的CaCO3和Mg(OH)2晶體，使得濁度進(jìn)一步增加[22]。余濁在靜置前90 min內(nèi)迅速下降至35.80 NTU，而在90～120 min內(nèi)只下降了0.46 NTU。這說明靜置90 min后，CaCO3、Mg(OH)2晶體和過量的Ca(OH)2基本沉降結(jié)束。當(dāng)Ca(OH)2投加量為2.5 g/L時，軟化后厭氧消化液理化性質(zhì)如表3所示。鈣硬度為104 mg/L，而鎂硬度基本消除。故將軟化后厭氧消化液靜置時間定為90 min，以充分去除沉淀，減少pH值回調(diào)HCl用量。

圖2 厭氧消化液余濁和pH值隨時間變化(Ca(OH)2投加量為2.5 g/L)Fig.2 Variations of residual turbidity and pH of anaerobic digestion effluent with time (lime dosage of 2.5 g/L)

2.4 超濾操作條件優(yōu)化

超濾透過液通量是衡量超濾過程的重要指標(biāo)，其受多因素影響，如溫度、操作壓強(qiáng)、膜面流速和料液pH值，其中最重要的是操作壓強(qiáng)和膜面流速[24]，故本文選擇這兩個因素并對其進(jìn)行考察。

在恒定操作壓強(qiáng)0.15 MPa下， 探究不同膜面流速對超濾通量的影響，結(jié)果如圖3-a所示。膜面流速從3.095 m/s提高到5.014 m/s，通量隨之增加；而從5.014 m/s提高到6.066 m/s時，通量卻下降。通量大小反映了膜污染程度的輕重。膜面流速的適當(dāng)提高，可以使得膜表面污染層厚度變薄，跨膜阻力得以減小，通量從而增加。過高流速則會導(dǎo)致膜表面污染層厚度太薄，使得分子量小于膜孔徑的有機(jī)物截留率降低，膜孔內(nèi)污染程度加深，膜通量從而下降。此外，過高的膜面流速會消耗更多的動能，故膜面流速選擇4.023 m/s。

在恒定膜面流速 4.023 m/s下， 探究不同操作壓強(qiáng)對超濾通量的影響，結(jié)果如圖3-b所示。初始通量隨著操作壓力的增加而增加。這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)初始時，超濾膜還未受到污染，故隨著操作壓力的增加，初始膜通量也隨之增加。而前10 min內(nèi)，超濾透過液通量迅速衰減，表明膜表面以及膜孔內(nèi)部污染出現(xiàn)并且污染逐漸加深。而10 min之后，被截留的有機(jī)物在膜表面形成的污染層導(dǎo)致跨膜阻力增加，以及膜孔內(nèi)的有機(jī)物阻塞，其綜合污染效果在超濾中后期變化緩慢，從而導(dǎo)致膜通量下降趨勢平緩。隨著操作壓力的升高，超濾過程相對平穩(wěn)時，0.20 MPa 下的膜通量高于0.15 MPa和0.25 MPa，故最佳操作壓強(qiáng)為0.20 MPa。

綜上所述，超濾最佳操作壓強(qiáng)和膜面流速為0.20 MPa和4.023 m/s。

a-膜面流速；b-操作壓強(qiáng)圖3 操作條件對超濾透過液通量的影響Fig.3 Effect of operation pressure on the permeate flux of ultrafiltration

2.5 軟化前后對電滲析操作影響

電滲析處理軟化和未軟化的厭氧消化液過程如圖4所示。

a-淡水電導(dǎo)率；b-濃水電導(dǎo)率；c-電流密度；d-能耗圖4 電滲析處理軟化和未軟化的厭氧消化液Fig.4 Electrodialysis treatment of anaerobic digestion effluent with and without lime softening

圖4-a、4-b分別展示了淡水電導(dǎo)率、濃水電導(dǎo)率隨時間的變化。由于軟化后的厭氧消化液采用HCl回調(diào)pH值至8，故初始電導(dǎo)率低于未軟化處理的厭氧消化液。厭氧消化液中的陰陽離子在電場力的作用下，從淡水中遷移至濃水中，淡水電導(dǎo)率不斷降低，而濃水電導(dǎo)率不斷增加。因?yàn)槲窜浕膮捬跸旱某跏茧妼?dǎo)率較高，所以其濃水電導(dǎo)率較高。圖4-c展示的是電流密度隨時間的變化趨勢，其與淡水電導(dǎo)率變化趨勢一致。在恒定操作電壓10 V下，電滲析膜堆總電阻越高，則電流密度越低。電滲析淡水電導(dǎo)率不斷降低，導(dǎo)電性能不斷下降，故電滲析膜堆總電阻逐漸增加。此外，由于軟化后的厭氧消化液電導(dǎo)率較低，故膜堆電阻較高，電流密度較未軟化的要低。圖4-d展示的是兩種處理方式下的厭氧消化液經(jīng)電滲析處理結(jié)束時的能耗。由于軟化的厭氧消化液電導(dǎo)率較低，脫鹽過程中的電流密度較低，并且在相同的脫鹽終點(diǎn)下，耗時也相對縮短，故單位體積能耗較低。

軟化和未軟化的厭氧消化液經(jīng)電滲析處理前后的理化性質(zhì)如表4所示。軟化后的厭氧消化液的堿度和鈣硬度為161和134 mg/L，較未軟化大幅度降低，故其LSI較未軟化要低。電滲析脫鹽結(jié)束后，軟化和未軟化的濃水LSI均小于臨界結(jié)垢值(LSI=1)，完全不會結(jié)垢[25]。

表4 厭氧消化液中投加2.5 g/L Ca(OH)2后的理化性質(zhì)Table 4 Chemical characterization of anaerobic digestion effluent with the lime dosage of 2.5 g/L

2.6 處理后的厭氧消化液回用對檸檬酸發(fā)酵影響

厭氧消化液經(jīng)不同處理手段處理后的金屬離子濃度如表5所示。石灰軟化操作顯著降低了鈣鎂離子濃度，而超濾主要為去除大分子有機(jī)物，故對厭氧消化液金屬離子濃度影響不大。電滲析處理后的厭氧消化液金屬離子濃度大幅度下降，并且在脫鹽終點(diǎn)時溶液中主要的金屬離子是鈉離子。

表5 厭氧消化液經(jīng)電滲析處理后的理化性質(zhì)Table 5 Chemical characterization of anaerobic digestion effluent with electrodialysis treatment

軟化后的厭氧消化液經(jīng)超濾和電滲析處理，作為配料水回用于檸檬酸發(fā)酵，其發(fā)酵結(jié)果如圖5所示。處理后的厭氧消化液的檸檬酸、殘總糖和殘異麥芽糖質(zhì)量濃度分別為(134.67±4.72)、(28.33±1.52)和(3.80±0.36) g/L，與采用去離子水配料發(fā)酵結(jié)果相近。檸檬酸發(fā)酵廢水經(jīng)UASB厭氧反應(yīng)器處理后，溶液中Na+、氨氮是廢水直接回用后導(dǎo)致檸檬酸產(chǎn)量下降的主要原因，其臨界抑制濃度分別為200和100 mg/L；厭氧消化液中揮發(fā)性脂肪酸主要成分為乙酸和丙酸，其臨界抑制濃度分別為480和296 mg/L[26]。厭氧消化液經(jīng)軟化、超濾和電滲析處理后，Na+、氨氮和VFAs的大幅度下降，并低于臨界抑制濃度。電滲析淡水回用發(fā)酵，檸檬酸產(chǎn)量基本與去離子水發(fā)酵結(jié)果相當(dāng)。這說明，厭氧消化液經(jīng)該工藝處理后，可作為配料水回用于檸檬酸發(fā)酵。

圖5 不同處理后的厭氧消化液對檸檬酸發(fā)酵的影響Fig.5 Effects of anaerobic digestion effluent with different treatments on citric acid fermentation

表6 厭氧消化液經(jīng)不同手段處理后的金屬離子質(zhì)量濃度 單位:mg/LTable 6 The concentrations of metal ions in anaerobic digestion effluent with different treatment

3 結(jié)論

檸檬酸厭氧消化液采用石灰軟化降低硬度，Ca(OH)2最優(yōu)投加量為2.50 g/L，總硬度從1 376 mg CaCO3/L降至200 mg CaCO3/L以下，滿足后續(xù)處理要求。超濾處理軟化后的厭氧消化液的最優(yōu)操作壓強(qiáng)和膜面流速，分別為0.20 MPa和4.023 m/s。對軟化后的厭氧消化液進(jìn)行電滲析脫鹽，生產(chǎn)的淡水作為配料水，回用至檸檬酸發(fā)酵，其檸檬酸產(chǎn)量為(134.67±4.72) g/L，基本與去離子水發(fā)酵水平持平。石灰軟化-超濾技術(shù)在檸檬酸沼氣雙發(fā)酵耦聯(lián)工藝中具有工業(yè)應(yīng)用價值，革除高能耗的空氣吹脫單元，解決了電滲析脫鹽濃水結(jié)垢問題，對實(shí)現(xiàn)檸檬酸行業(yè)清潔生產(chǎn)具有重要意義。