CN104789603A - 一种处理淀粉废水同时生成可再生能源的方法 - Google Patents

一种处理淀粉废水同时生成可再生能源的方法 Download PDF

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刘冰峰
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Abstract

一种处理淀粉废水同时生成可再生能源的方法，它涉及一种处理淀粉废水同时生成可再生能源的方法。本发明是要解决现有处理淀粉废水的方法成本高、造成环境污染的问题，方法为：一、对产氢接种物进行处理，得到产氢菌群；二、取淀粉废水，调节pH，然后接种产氢菌群进行培养，得到氢气和有机酸发酵液；三、去除发酵液中的产氢菌群，调节pH，再接种微藻进行培养，培养后采收微藻，提取微藻中的油脂，即完成；本发明的产氢量为755.5-883.3mL H2/L工作体积，产油量为0.31-0.41g/L工作体积，COD去除率为79-84％。本发明应用于生物能源和污水处理领域。

Description

一种处理淀粉废水同时生成可再生能源的方法
技术领域
本发明涉及一种处理淀粉废水同时生成可再生能源的方法。
背景技术
淀粉废水是在淀粉加工过程中产生的高浓度有机废水，含有大量的溶解性淀粉和少量的蛋白质等物质，其化学需氧量(COD)很高，约为2000-40000mg/L，故必须经过处理后才能排放。但淀粉废水的处理难度大，投入运行成本很高，若废水被直接排放入环境水体，会造成水体富营养化、腐败变质等环境污染问题，且无法有效利用废水中的有机质，造成了资源的严重浪费。
申请号：201310533944.0，发明名称“一种产氢细菌与含油微藻梯级耦合产能的方法”公开了一种耦合产氢和产油的方法，利用纯底物作为原料，且未给出原料的利用情况，纯底物的价格昂贵，难以规模化生产；该发明采用纯菌株进行产氢，在生产中容易被污染，利用复杂原料(如淀粉废水)的能力差，难以适应长期连续的工业化生产；此外，该发明中采用高压蒸汽灭菌处理发酵液，能耗很高，会大大提高生产成本，不利于实际应用。
发明内容
本发明是要解决现有处理淀粉废水的方法成本高、不易于工业化生产并且造成环境污染的问题，提供了一种处理淀粉废水同时生成可再生能源的方法。
本发明一种处理淀粉废水同时生成可再生能源的方法，包括如下步骤：一、对产氢接种物进行处理，得到混合物A；二、取淀粉废水，调节pH至5～10，然后按占淀粉废水总体积的5～10％的接种量，接种混合物A，再进行培养，得到氢气和有机酸发酵液；三、去除发酵液中的固相，然后调节液相的pH至5～10，再按液相总体积的5～10％的接种量，接种微藻进行培养，培养后采收微藻，提取微藻中的油脂，即完成；
其中步骤一中所述的产氢接种物为剩余污泥、消化污泥、厌氧颗粒污泥和下水道污泥中的一种或几种按任意比组成的混合物；
步骤三中所述的微藻为栅藻、小球藻、硅藻、隐甲藻、扁藻、杜氏藻、螺旋藻和金藻中的一种或几种按任意比组成的混合物。产氢接种物中常存在耗氢菌，能消耗掉由产氢菌生产的氢气，导致氢气产量下降。但耗氢菌对高温、酸碱或化学药剂比较敏感，经处理后活性会受到抑制，由于产氢菌可以形成能够抵御恶劣环境的芽孢，故在处理后可以存活并保持活性，对产氢接种物进行处理，可以有效的抑制接种物中的耗氢菌，达到提高发酵产氢效能的目的。因此使用本发明列举的处理方法处理产氢接种物，都可以抑制耗氢菌，达到提高发酵产氢效能的目的。本发明的产氢量为755.5-883.3mL H2/L工作体积，产油量为0.31-0.41g/L工作体积，COD去除率为79-84％。本发明是先将产氢菌群接种于淀粉废水中生产氢气，然后用去除产氢细菌的发酵液培养微藻生产油脂。本发明将暗发酵制氢与微藻产油偶联处理淀粉废水，可减少废水的COD排放量，改善水环境，减少淀粉废水对环境造成的不良影响，同时回收了可再生能源，降低了生物能源生产的成本，实现了淀粉废水的资源化处理，对于加快生物柴油和生物制氢技术的产业化步伐也具有重要的意义。
附图说明
图1为本发明实施方式1工艺流程示意图；
图2为试验1和试验2产氢量图；其中为产氢量，为产氢速率；
图3为试验1和试验2中油脂浓度图；其中为油脂浓度，为产油速率；
图4为试验1和试验2的COD去除率图；其中为对照组，为试验组。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种处理淀粉废水同时生成可再生能源的方法，包括如下步骤：一、对产氢接种物进行处理，得到混合物A；二、取淀粉废水，调节pH至5～10，然后按占淀粉废水总体积的5～10％的接种量，接种混合物A，再进行培养，得到氢气和有机酸发酵液；三、去除发酵液中的固相，然后调节液相的pH至5～10，再按液相总体积的5～10％的接种量，接种微藻进行培养，培养后采收微藻，提取微藻中的油脂，即完成；
其中步骤一中所述的产氢接种物为剩余污泥、消化污泥、厌氧颗粒污泥和下水道污泥中的一种或几种按任意比组成的混合物；
步骤三中所述的微藻为栅藻、小球藻、硅藻、隐甲藻、扁藻、杜氏藻、螺旋藻和金藻中的一种或几种按任意比组成的混合物。其中混合物A含有产氢细菌菌群，其中产氢细菌菌群是以梭菌属为主的菌群。
本实施方式中剩余污泥、消化污泥和厌氧颗粒污泥来自哈尔滨地区的污水处理厂；下水道污泥来自哈尔滨地区下水道。
本实施方式中小球藻、硅藻、隐甲藻、扁藻、杜氏藻、螺旋藻和金藻均为购买得到。栅藻(Scenedesmus sp.)采用已公开中国发明专利《一种富油微藻的高通量筛选方法》(申请号：CN201310096030.2)中的方法筛选获得。
本实施方式的工艺流程示意图如图1所示。
产氢接种物中常存在耗氢菌，能消耗掉由产氢菌生产的氢气，导致氢气产量下降。但耗氢菌对高温、酸碱或化学药剂比较敏感，经处理后活性会受到抑制，由于产氢菌可以形成能够抵御恶劣环境的芽孢，故在处理后可以存活并保持活性，对产氢接种物进行处理，可以有效的抑制接种物中的耗氢菌，达到提高发酵产氢效能的目的。因此使用本实施方式列举的处理方法处理产氢接种物，都可以抑制耗氢菌，达到提高发酵产氢效能的目的。本发明的产氢量为755.5-883.3mL H2/L工作体积，产油量为0.31-0.41g/L工作体积，COD去除率为79-84％。本发明是先将产氢菌群接种于淀粉废水中生产氢气，然后用去除产氢细菌的发酵液培养微藻生产油脂。本实施方式将暗发酵制氢与微藻产油偶联处理淀粉废水，可减少废水的COD排放量，改善水环境，减少淀粉废水对环境造成的不良影响，同时回收了可再生能源，降低了生物能源生产的成本，实现了淀粉废水的资源化处理，对于加快生物柴油和生物制氢技术的产业化步伐也具有重要的意义。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述的处理方法为热处理，具体方法为在100℃下处理30min。其他步骤和参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一中所述的处理方法为酸处理、碱处理、过氧化氢处理、超声波处理、微波处理、甲烷抑制剂处理、氯仿处理、二溴乙烷磺酸钠处理、辐照处理、曝气处理和冲击负荷处理中的一种或几种组合。其他步骤和参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤二中所述的淀粉废水可为玉米淀粉废水、马铃薯淀粉废水、绿豆淀粉废水、麦类淀粉废水、木薯淀粉废水、菱角淀粉废水、藕淀粉废水和甘薯淀粉废水中的一种或几种按任意比组成的混合物。其他步骤和参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二和步骤三所述的调节pH是通过浓度为1mol/L的HCl溶液或浓度为1mol/L的NaOH溶液进行调节的。其他步骤和参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤二中所述的培养条件为温度30～40℃，隔绝空气培养，摇床转速50～200rpm，培养时间20～120h。其他步骤和参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤三中所述的去除发酵液中固相的方法为离心法和过滤法的一种或两种组合。其他步骤和参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤三中所述的微藻培养条件为温度15～40℃，摇床转速50～200rpm，培养时间120～192h。其他步骤和参数与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤三中所述的微藻采收方法为离心法和过滤法的一种或两种组合。其他步骤和参数与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤三中所述的微藻油脂提取方法为氯仿-甲醇法、索氏抽提法、正己烷-异丙醇法、正己烷-乙醇法或***-石油醚法。其他步骤和参数与具体实施方式一至九之一相同。
通过以下试验验证本发明的有益效果：
试验1、本试验试验组处理淀粉废水同时生成可再生能源的方法，包括如下步骤：一、在100℃条件下剩余污泥进行处理30min，得到混合物A；二、取玉米淀粉废水，用浓度为1mol/L的HCl调节pH至7，然后按接种量为玉米淀粉废水总体积的10％接种混合物A，再在温度35℃，摇床转速130rpm，隔绝空气条件下培养48h，得到氢气和有机酸发酵液；三、采用离心法和过滤法相结合的方法去除发酵液中的固相物，然后用浓度为1mol/L的NaOH调节液相pH至7，再按液相总体积的10％的接种量接种栅藻，然后在温度25℃，摇床转速130rpm的条件下培养144h，培养后离心采收微藻，采用氯仿-甲醇法提取微藻中的油脂，即完成。混合物A为梭菌属为主的菌群。
对照组为采用暗发酵制氢的方法处理与试验1相同的玉米淀粉废水。
试验2、本试验试验组处理淀粉废水同时生成可再生能源的方法，包括如下步骤：一、在100℃条件下剩余污泥进行处理30min，得到混合物A；二、取马铃薯淀粉废水，用浓度为1mol/L的HCl调节pH至7，然后按接种量为马铃薯淀粉废水总体积的10％接种混合物A，再在温度35℃，摇床转速130rpm，隔绝空气条件下培养48h，得到氢气和有机酸发酵液；三、采用离心法和过滤法相结合的方法去除发酵液中的固相物，然后用浓度为1mol/L的NaOH调节液相pH至7，再按液相总体积的10％的接种量接种栅藻，然后在温度25℃，摇床转速130rpm的条件下培养144h，培养后离心采收微藻，采用氯仿-甲醇法提取微藻中的油脂，即完成。混合物A为梭菌属为主的菌群。
对照组为采用暗发酵制氢的方法处理与试验1相同的马铃薯淀粉废水。
其中试验1和2中的栅藻(Scenedesmus sp.)采用已公开中国发明专利《一种富油微藻的高通量筛选方法》(申请号：CN201310096030.2)中的方法筛选获得；剩余污泥来自哈尔滨污水处理厂的二次沉淀池。
对试验1试验组和试验2试验组的产氢量进行测试，结果如图2所示，由图2可知，采用玉米淀粉废水为原料时，试验1试验组的产氢量为883.3mL H2/L工作体积，产氢速率为18.4mL H2/L/h；采用马铃薯淀粉废水为原料时，试验2试验组的产氢量为755.5mLH2/L工作体积，产氢速率为15.7mL H2/L/h。
对试验1试验组和试验2试验组的油脂浓度进行测试，结果如图3所示，由图3可知，采用玉米淀粉废水为原料时，油脂浓度为0.41g/L工作体积，产油速率为68.3mg/L/d；采用马铃薯淀粉废水为原料时，脂浓度为0.31g/L工作体积，产油速率为51.7mg/L/d。
对试验1的试验组、对照组和试验2的试验组、对照组的COD去除率进行测试，结果如图4所示，由图4可知，采用玉米淀粉废水为原料时，对照组的COD去除率为24.2％，试验1试验组的COD去除率为84％；采用马铃薯淀粉废水为原料时，对照组的COD去除率为20.8％，试验2试验组的COD去除率为79％。
试验1和试验2的产氢量为755.5-883.3mL H2/L工作体积，产油量为0.31-0.41g/L工作体积，COD去除率为79-84％。剩余污泥中常存在耗氢菌，能消耗掉由产氢菌生产的氢气，导致氢气产量下降。但耗氢菌对高温比较敏感，经热处理后活性会受到抑制，由于产氢菌可以形成能够抵御恶劣环境的芽孢，故在热处理后可以存活并保持活性，因此本试验对剩余污泥进行热处理，可以有效的抑制接种物中的耗氢菌，达到提高发酵产氢效能的目的。本试验将暗发酵制氢与微藻产油偶联处理淀粉废水，可减少废水的COD排放量，改善水环境，减少淀粉废水对环境造成的不良影响，同时回收了可再生能源，降低了生物能源生产的成本，实现了淀粉废水的资源化处理，对于加快生物柴油和生物制氢技术的产业化步伐也具有重要的意义。

Claims (10)

1.一种处理淀粉废水同时生成可再生能源的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：一、对产氢接种物进行处理，得到混合物A；二、取淀粉废水，调节pH至5～10，然后按占淀粉废水总体积的5～10％的接种量，接种混合物A，再进行培养，得到氢气和有机酸发酵液；三、去除发酵液中的固相，然后调节液相的pH至5～10，再按液相总体积的5～10％的接种量，接种微藻进行培养，培养后采收微藻，提取微藻中的油脂，即完成；
其中步骤一中所述的产氢接种物为剩余污泥、消化污泥、厌氧颗粒污泥和下水道污泥中的一种或几种按任意比组成的混合物；
步骤三中所述的微藻为栅藻、小球藻、硅藻、隐甲藻、扁藻、杜氏藻、螺旋藻和金藻中的一种或几种按任意比组成的混合物。
2.根据权利要求1所述的一种处理淀粉废水同时生成可再生能源的方法，其特征在于步骤一中所述的处理方法为热处理，具体方法为在100℃下处理30min。
3.根据权利要求1所述的一种处理淀粉废水同时生成可再生能源的方法，其特征在于步骤一中所述的处理方法为酸处理、碱处理、过氧化氢处理、超声波处理、微波处理、甲烷抑制剂处理、氯仿处理、二溴乙烷磺酸钠处理、辐照处理、曝气处理和冲击负荷处理中的一种或几种组合。
4.根据权利要求1所述的一种处理淀粉废水同时生成可再生能源的方法，其特征在于步骤二中所述的淀粉废水可为玉米淀粉废水、马铃薯淀粉废水、绿豆淀粉废水、麦类淀粉废水、木薯淀粉废水、菱角淀粉废水、藕淀粉废水和甘薯淀粉废水中的一种或几种按任意比组成的混合物。
5.根据权利要求1所述的一种处理淀粉废水同时生成可再生能源的方法，其特征在于步骤二和步骤三所述的调节pH是通过浓度为1mol/L的HCl溶液或浓度为1mol/L的NaOH溶液进行调节的。
6.根据权利要求1所述的一种处理淀粉废水同时生成可再生能源的方法，其特征在于步骤二中所述的培养条件为温度30～40℃，隔绝空气培养，摇床转速50～200rpm，培养时间20～120h。
7.根据权利要求1所述的一种处理淀粉废水同时生成可再生能源的方法，其特征在于步骤三中所述的去除发酵液中固相的方法为离心法和过滤法的一种或两种组合。
8.根据权利要求1所述的一种处理淀粉废水同时生成可再生能源的方法，其特征在于步骤三中所述的微藻培养条件为温度15～40℃，摇床转速50～200rpm，培养时间120～192h。
9.根据权利要求1所述的一种处理淀粉废水同时生成可再生能源的方法，其特征在于步骤三中所述的微藻采收方法为离心法和过滤法的一种或两种组合。
10.根据权利要求1所述的一种处理淀粉废水同时生成可再生能源的方法，其特征在于步骤三中所述的微藻油脂提取方法为氯仿-甲醇法、索氏抽提法、正己烷-异丙醇法、正己烷-乙醇法或***-石油醚法。
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