CN105884104A - 一种膜蒸馏-纳滤/反渗透组合工艺作为高浓度发酵废液有用组分回收与废水净化的方法 - Google Patents

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康昀
曲丹
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Abstract

本发明属于废水资源化技术领域，涉及一种膜蒸馏-纳滤/反渗透组合工艺用于发酵废液有用组分回收与废水净化的方法，具体步骤：(1)将酵母生产中的发酵废液从料液罐中抽取并加热，送入膜蒸馏单元热侧，通过膜冷侧循环水冷却作用，使热侧水蒸气跨膜进入冷水侧；热侧发酵废液失水后体积减小，废液中蛋白质及其他有用组分(磷、钾、铁、镁等)得到富集浓缩，可作为生产单细胞蛋白原料；(2)将膜蒸馏产水送入纳滤/反渗透单元，通过膜组件高效截留，获得优质的净化水；反渗透单元浓水循环至原发酵废液贮罐，按步骤(1)重新浓缩处理。本发明可以实现酵母废液的资源化利用，同时具有能耗低、占地小、操作简便、易于自动化控制等优点。

Description

一种膜蒸馏-纳滤/反渗透组合工艺作为高浓度发酵废液有用组分回收与废水净化的方法
一、技术领域
本发明属于高浓度有机废液资源化利用技术领域，涉及一种使用膜蒸馏-纳滤/反渗透组合工艺用于食品酵母生产过程中高浓度发酵废液的有用组分回收与废水净化的方法。
二、背景技术
近年来，中国食品酵母生产行业保持较高的发展势头。仅2011年，酵母总产量就已经达到27万吨，年增长率约为12.5％。酵母生产过程中产生的高浓度发酵废液主要成分为酵母蛋白及维生素、营养元素、微量元素等菌体代谢产物，具有高COD、高无机盐和高色度等特点，是一种处理难度较大的高浓度有机废水。然而从另一方面来看，食品酵母发酵废液中的大部分组分均具有资源化利用价值，若直接作为废液处理，将造成资源的极大浪费。
目前，用于食品酵母生产过程中高浓度发酵废液处理的常用方法有多效蒸发、减压蒸发等传统蒸发技术和活性污泥法后续生物处理技术等。然而，这些处理技术存在以下问题：1)传统的各种蒸发工艺均需要较高的操作温度或负压条件，能耗很大；2)生物处理方法普遍存在运行周期长、出水水质波动大问题，且难以使发酵废液中的有用组分得到资源化利用；3)单纯蒸发工艺或生物处理工艺都难以使出水水质满足直接排放要求。
膜蒸馏是一种新兴的膜分离技术，是以疏水膜两侧不同温度溶液的蒸汽压力差为推动力的一种分离过程。膜蒸馏过程可在常压下进行，膜两侧的温度差通常控制在30～50℃之间，具有装置简单、操作方便、能耗相对较低等优点，主要用于海水淡化、苦咸水脱盐等领域，也可用于高浓度有机废液的浓缩处理，是可在溶液中分离出晶体的膜分离过程。对于食品酵母生产过程中产生的高浓度发酵废液，由于其中含有部分易挥发性的有机物，因此膜蒸馏出水中仍会含有一定浓度的有机物，需要采用纳滤/反渗透膜分离处理单元进行深度净化。在此背景下，提出了本发明技术内容。
三、发明内容
本发明提出了一种使用膜蒸馏-纳滤/反渗透组合工艺用于食品酵母生产过程中高浓度发酵废液的有用组分回收与废水净化的方法，既能解决因高浓度食品酵母发酵废液排放而产生的环境污染问题，又可回收发酵废液中的酵母蛋白和其它营养组分，同时还能获得水质优 良的再生水，基本实现了食品酵母生产废液的全部资源化利用。本方明提出的技术方法具有能耗低、占地小、操作简便、易于自动化控制等优点。
为实现本发明的目的，本发明提供了如下的具体操作方法和步骤：(1)将食品酵母生产过程中产生的高浓度发酵废液从料液罐中抽取并加热后，送入膜蒸馏处理单元的热侧，在膜的冷侧通过循环水的冷却作用，使热侧形成的水蒸气跨膜进入冷水侧；热侧的高浓度发酵废液在失水后体积大幅度减小，废液中的蛋白质及其他有用组分(磷、钾、铁、镁等)得到富集浓缩，可作为生产单细胞蛋白的原料进行后续的资源化利用；(2)将冷侧收集得到的膜蒸馏产水送入纳滤/反渗透净化单元，利用膜组件的高效截留作用，获得优质的净化水；纳滤/反渗透净化单元产生的浓水循环至原发酵废液贮罐，按照步骤(1)的方法重新进行浓缩处理。
本技术发明中，高浓度发酵废液有用组分的富集浓缩采用膜蒸馏处理单元，膜蒸馏装置可采用直接接触式膜蒸馏或真空膜蒸馏等不同型式。
本技术发明中，所述膜蒸馏处理单元中的膜组件可以采用平板式膜组件、中空纤维式膜组件等不同型式，其中优选中空纤维膜组件。
本技术发明中，所述膜蒸馏处理单元中的膜组件需选用疏水性膜材料，如聚丙烯膜、聚偏氟乙烯等不同类型。
本技术发明中，所述膜蒸馏处理单元中所用膜的平均孔径应介于0.2～0.6μm之间。
本技术发明中，所述膜蒸馏处理单元运行时热侧温度应控制在55～70℃，冷侧温度应控制在15～30℃。
本技术发明中，所述膜蒸馏处理单元运行时，疏水膜两侧料液流速应控制不小于2.0L/min。
本技术发明中，膜蒸馏处理单元冷侧收集的膜蒸馏产水的深度净化技术，根据回用水水质的不同要求，可以采用纳滤膜分离工艺、反渗透膜分离工艺、或纳滤-反渗透组合膜分离工艺。
本技术发明中，纳滤和反渗透膜组件可以采用平板式、卷式或中空纤维式等不同型式。
本技术发明中，纳滤和反渗透应采用亲水性的膜材料，如聚酰胺、聚砜等不同类型。
本技术发明中，纳滤操作压力应不小于0.5Mpa，反渗透操作压力应不小于1.0Mpa。纳滤和反渗透的运行温度为常温。
本技术发明中，纳滤/反渗透净化单元产生的浓水循环至原发酵废液贮罐，重新进行浓缩处理，因此整个处理***基本无废液排出。
四、附图说明
图1是膜蒸馏-纳滤装置流程图。
图2是膜蒸馏-纳滤/反渗透装置流程图。
五、具体实施方式
实施例一：膜蒸馏-纳滤组合工艺用于食品酵母生产过程中产生的高浓度发酵废液的有用组分回收与废水净化的方法。利用本方法处理某酵母生产厂家的发酵废液，其水质主要指标如下：
表1某酵母生产厂家发酵废液的水质情况
采用中空纤维式膜组件。首先，将发酵废液从料液罐中用泵抽出经水浴锅加热至65～70℃，然后送入膜蒸馏处理单元热侧循环，同时冷却水温度稳定在30℃左右进行冷侧循环。运行21h后，原料液体积被浓缩8.3倍，蛋白质浓度被浓缩6.9倍，可作为粗蛋白进行资源化利用。
膜蒸馏冷侧出水收集进入出水罐蓄集，此时冷侧产水COD浓度降至1300mg/L。膜蒸馏装置的产水由加压隔膜泵抽取进入纳滤膜分离装置，渗透液经纳滤后进入纳滤出水罐。浓液回流入膜蒸馏进水罐。纳滤处理后出水COD浓度降为200mg/L左右。
实施实例二：膜蒸馏-纳滤-反渗透组合工艺作为高浓度食品酵母生产废液有用组分回收与废水净化的方法。
酵母生产废液COD浓度为59000～65000mg/L，发酵废液从料液罐中用泵抽出经水浴锅加热至65～70℃，然后送入膜蒸馏处理单元热侧进行循环；同时，冷侧循环水温度稳定在30℃左右。运行13h时，原料液体积被浓缩3.9倍，蛋白质浓度被浓缩3.6倍。膜蒸馏装置产水由加压隔膜泵抽取先后加压进入纳滤、反渗透膜分离装置，膜分离处理单元的产水进入清水罐，产水COD浓度可降至20mg/L以下。反渗透浓液回流至膜蒸馏进水罐进行循环处理。

Claims (12)

1.一种使用膜蒸馏-纳滤/反渗透组合工艺作为食品酵母生产过程中高浓度发酵废液的有用组分回收与废水净化的方法，其特征在于利用膜蒸馏装置来浓缩减少高浓度发酵废液的体积，同时富集回收高浓度发酵废液的蛋白质及其他有用组分；利用纳滤/反渗透膜分离装置来净化膜蒸馏的产水，获得不同水质要求的回用水；纳滤/反渗透膜分离单元产生的浓水应循环至原高浓度发酵废液贮罐，重新经过膜蒸馏单元进行浓缩处理。
2.如权利要求1所述的食品酵母生产过程中高浓度发酵废液的有用组分回收与废水净化方法，所回收的有用组分主要是指高浓度发酵废液中的蛋白质及其他有用组分(P、K、Fe、Mg等)，通过膜蒸馏装置使得高浓度发酵废液中的有用物质得到富集浓缩，可作为生产单细胞蛋白的原料进行后续的资源化利用 。
3.如权利要求1所述的食品酵母生产过程中高浓度发酵废液的有用组分回收与废水净化方法，是根据膜蒸馏处理单元中疏水膜能有效拦截水溶液，允许水分子以气态通过疏水膜的特点，来实现对高浓度发酵废液中有用组分的分离浓缩，所采用的疏水膜材料可为聚丙烯膜、聚偏氟乙烯等不同类型。
4.如权利要求1所述的食品酵母生产过程中高浓度发酵废液的有用组分回收与废水净化方法中，膜蒸馏装置可采用直接接触式膜蒸馏或真空膜蒸馏等不同形式；膜组件可采用板式膜、中空纤维膜等不同类型。
5.如权利要求1所述的食品酵母生产过程中高浓度发酵废液的有用组分回收与废水净化方法，膜蒸馏装置中所选择的疏水膜的平均孔径应介于0.2～0.6μm之间。
6.如权利要求1所述的食品酵母生产过程中高浓度发酵废液的有用组分回收与废水净化方法，膜蒸馏装置在料液侧与产水侧分别设置了恒温加热装置与降温装置，高浓度发酵废液原料液罐及管路均外包保温棉，保持料液温度。其中，控制膜蒸馏热侧温度在55～70℃之间，冷侧温度控制在15～30℃之间。
7.如权利要求1所述的食品酵母生产过程中高浓度发酵废液的有用组分回收与废水净化方法，膜蒸馏装置运行时疏水膜两侧液体流速应控制为不小于2.0L/min。
8.如权利要求1所述的食品酵母生产过程中高浓度发酵废液的有用组分回收与废水净化方法中，针对膜蒸馏装置的冷凝产水，可以根据回用水水质的不同要求，分别采用纳滤膜分离工艺、反渗透膜分离工艺、或纳滤-反渗透组合膜分离工艺。
9.如权利要求1和权利要求8所述的方法中，纳滤/反渗透膜分离装置中的膜组件可以采用板式膜、卷式膜、中空纤维膜等不同类型。
10.如权利要求1和权利要求8所述的方法中，纳滤/反渗透膜分离装置中所采用的纳滤或反渗透膜应为亲水性膜材料，包括聚酰胺、聚砜等不同种类。纳滤膜可采用传统的软化膜或高通量纳滤膜；反渗透膜可采用复合型反渗透膜，其中优选超低压反渗透膜。
11.如权利要求1和权利要求8所述的方法中，纳滤/反渗透膜分离装置的运行温度条件为常温；纳滤膜分离单元的操作压力应不小于0.5Mpa，反渗透膜分离单元的操作压力不小于1.0Mpa。
12.如权利要求1和权利要求8所述的方法中，纳滤/反渗透膜分离装置中所产生的浓水，应循环回流至原高浓度发酵废液贮罐，重新经过膜蒸馏单元进行浓缩处理，基本实现高浓度发酵废的全部资源化利用。
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