乙醇—沼气双发酵耦联工艺中悬浮物的影响及其絮凝处理

【摘要】：工业废水的污染问题是制约当今发酵行业快速发展的关键因素之一，而乙醇-沼气双发酵耦联工艺的建立则可以有效地解决燃料乙醇生产过程中的废液污染问题，在达到废水“零排放”目标的同时也可大幅减少发酵所需的用水量，基本实现了液态深层发酵产品的绿色生产。在耦联工艺中，回用沼液水质的稳定是保证循环工艺顺利进行的根本，而活性污泥在厌氧体系中的加入就使得沼液中不可避免地夹带部分的悬浮性颗粒，进而影响后续乙醇的正常发酵。因此，本文重点对回用沼液中悬浮物的影响进行了研究，并在此基础上提出了经济可行的解决方案。文章的主要研究结果如下： (1)在乙醇-沼气双发酵耦联工艺中，回用沼液中的悬浮物会随着循环的进行而逐渐积累，进而对后续的乙醇发酵产生抑制作用。这主要是因为，一方面悬浮物本身含有一定量的氨氮，在为酵母提供营养的同时，也会在高温条件下与发酵液中的还原糖发生反应，进而导致初糖的损失；另一方面悬浮物中大量厌氧菌群的存在，使得酵母的营养代谢流发生倾斜，从而为了保持其自身胞内氧化还原电位的平衡，导致大量副产物的生成，继而使得主产物乙醇的合成受到抑制。对于中温和高温沼液中的悬浮物，其对乙醇发酵的临界抑制浓度分别为0.35g·L-1、0.5g·L-1(干重)。 (2)通过絮凝处理能够有效地对循环沼液中的悬浮物和色度进行去除，经过7种絮凝剂以及絮凝方式的筛选，确定最佳中温沼液的絮凝组合为聚合氯化铝(PAC)300mg·L-1和阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)2mg·L-1的混合絮凝，其对沼液中浊度和色度的去除率分别为92.4%、23.7%，絮体沉降时间为25s，絮凝剂投入成本约为0.51元·m-3水；而对于高温沼液的处理，聚合氯化铝铁(PAFC)300mg·L-1与阴离子聚丙烯酰胺(APAM)5mg·L-1的混合絮凝则显示出了较好的效果，其对沼液中浊度和色度的去除率分别为87.3%、22.5%，絮凝剂投入成本约为0.6元·m-3水。同时，絮凝处理的应用对于沼液的其他理化性质基本不会产生影响，保证了沼液水质的稳定。 (3)对絮凝处理在耦联工艺中的可行性进行了验证。无机絮凝剂PAC和PAFC在发酵体系中的存在，不会对乙醇的合成产生不利影响，而有机絮凝剂则会抑制乙醇的发酵过程，CPAM和APAM对发酵产生抑制的临界浓度分别为2mg·L-1、5mg·L-1，而沼液中所检测到的两种絮凝剂的残留量仅为0.03mg·L-1、0.16mg·L-1，远达不到其对乙醇发酵的抑制浓度；同时经絮凝所得沼液的乙醇发酵性能略优于离心处理所得沼液的发酵水平，验证了絮凝处理在耦联工艺中的有效性。 (4)絮凝处理在耦联工艺中的应用顺利通过了中试验证，该操作的加入能够有效地改善回用沼液中所含悬浮物的水平，使得乙醇的发酵性能得以回升；同时在耦联工艺的工业应用中也摒弃了传统的离心固液分离操作，采用了研究所得的絮凝方案，使得该操作单元的投入成本缩减为原工艺的25%左右。 【关键词】：乙醇发酵 回用沼液 悬浮物 絮凝 色度
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-6
• 目录6-8
• 第一章 绪论8-17
• 1.1 燃料乙醇及其废水处理8-11
• 1.1.1 燃料乙醇8
• 1.1.2 燃料乙醇的生产8-9
• 1.1.3 燃料乙醇的废水处理9-11
• 1.2 乙醇-沼气双发酵耦联工艺11-13
• 1.2.1 乙醇-沼气双发酵耦联工艺的确立11-13
• 1.2.2 乙醇-沼气双发酵耦联工艺的初步研究13
• 1.3 沼液中悬浮物的工业处理13-15
• 1.3.1 过滤分离14
• 1.3.2 沉降分离14
• 1.3.3 絮凝分离14-15
• 1.4 本论文的研究意义及研究内容15-17
• 1.4.1 研究意义15
• 1.4.2 研究内容15-17
• 第二章 材料与方法17-22
• 2.1 实验材料17-19
• 2.1.1 原料和菌株17
• 2.1.2 试剂和仪器17-18
• 2.1.3 主要溶液配制18-19
• 2.2 实验方法19-22
• 2.2.1 乙醇发酵19-20
• 2.2.2 悬浮物中厌氧菌群的考察20
• 2.2.3 絮凝处理20
• 2.2.4 分析方法20-22
• 第三章 结果与讨论22-58
• 3.1 乙醇-沼气双发酵耦联工艺中悬浮物对乙醇发酵的影响22-34
• 3.1.1 中温沼液中悬浮物对乙醇发酵的影响22-25
• 3.1.2 中温悬浮物影响乙醇发酵的机理探讨25-28
• 3.1.3 高温沼液中悬浮物对乙醇发酵的影响28-31
• 3.1.4 高温悬浮物影响乙醇发酵的机理探讨31-34
• 3.1.5 小结34
• 3.2 乙醇-沼气双发酵耦联工艺中悬浮物及色度的去除34-47
• 3.2.1 中温沼液中悬浮物及色度的絮凝处理35-40
• 3.2.2 高温沼液中悬浮物及色度的絮凝处理40-44
• 3.2.3 中温和高温悬浮物絮凝处理效果的比较分析44-47
• 3.2.4 小结47
• 3.3 乙醇-沼气双发酵耦联工艺中絮凝处理的可行性研究47-55
• 3.3.1 中温沼液絮凝处理的可行性验证47-51
• 3.3.2 高温沼液絮凝处理的可行性验证51-54
• 3.3.3 小结54-55
• 3.4 乙醇-沼气双发酵耦联工艺中悬浮物调控措施的工艺应用55-58
• 3.4.1 乙醇-沼气双发酵耦联工艺中试验证55-56
• 3.4.2 乙醇-沼气双发酵耦联工艺的工业生产56-57
• 3.4.3 小结57-58
• 主要结论与展望58-60
• 主要结论58
• 展望58-60
• 致谢60-61
• 参考文献61-65
• 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文65

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