不同预处理的木薯渣水解液生物酸化特性比较王菁

Vol．1，No．6Nov．，2011环境工程技术学报JournalofEnvironmentalEngineeringTechnology第1卷，第6期2011年11月收稿日期:2011－08－19基金项目:广西2011年千亿元产业重大科技攻关项目(11107022－11)作者简介:王菁(1987—)，女，硕士，[e-mail]*责任作者:吕学斌(1980—)，男，讲师，博士，主要从事污泥减量以及生物质能源转化与利用方面的研究，[e-mail]文章编号:1674－991X(2011)06－0489－06不同预处理的木薯渣水解液生物酸化特性比较王菁1，韩刚1，于晓艳2，吕学斌1*，张书廷11．天津大学环境科学与工程学院，天津3000722．天津大学化工学院，天津300072摘要:木薯渣富含纤维素，是理想的沼气生产原料。由于木薯渣含水量大，颗粒分散，不易固态发酵，作为沼气生产原料需对其进行水解处理。不同的水解方式得到的水解液对后续酸化过程的产酸速率和酸分布都有很大影响。对经过酶处理和水热处理得到的木薯渣水解液进行了生物酸化处理。结果显示，与直接投加木薯渣相比，投加酶水解液、投加150℃水解液水解20min和150℃水解液水解45min后，反应器达到最大产酸量所需的时间由96h分别缩短至30，48和24h，最大产酸量由4558mg/L分别增加至5277，6209和4734mg/L，且3种水解液在酸化24h后挥发性脂肪酸(VFAs)均达到最优分布，其中乙酸和正丁酸之和占总VFAs的90%左右。根据产酸速度及酸分布情况得出，木薯渣最佳可溶化方法为150℃高温水解20min，后续生物水解酸化时间为24h。关键词:木薯渣;可溶化;水解酸化;挥发性脂肪酸(VFAs)中图分类号:S216.4文献标识码:ADOI:10.3969/j．issn．1674－991X．2011.06.082ComparisonoftheBiologicalAcidificationCharacteristicsofHydrolysatefromCassavaStarchResidueafterPretreatedbyDifferentMethodsWANGJing1，HANGang1，YUXiao-yan2，LXue-bin1，ZHANGShu-ting11．SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering，TianjinUniversity，Tianjin300072，China2．SchoolofChemicalEngineeringandTechnology，TianjinUniversity，Tianjin300072，ChinaAbstract:Cassavastarchresidue，asapromisingrawmaterialforbiogasproduction，isrichincellulose．Duetohighwatercontentandscatteredsolidparticles，itisdifficultforsolidcassavastarchresiduetofermentandithadtoexperiencehydrolysispretreatmentasrawmaterialforbiogasproduction．Thehydrolysateobtainedbyvarioushydrolysispretreatmenthasmajorimpactontherateofacidproductionandaciddistributioninsubsequentacidification．Thehydrolysateofcassavastarchresidue，pretreatedbyhotwaterandamylaserespectively，wasbiologicalfermented．Theresultsshowedthat，forthebiologicalacidificationofhydrolysateusingα-amylase，hydrolyzedfor20minbyhotwaterat150℃andhydrolyzedfor45minbyhotwaterat150℃，themaximumacidyieldincreasedrespectivelyto5277，6209，4734mg/Lfrom4558mg/Landthecorrespondingtimeshortenedto30h，48h，24hfrom96h，comparedwiththeconditionofcassavastarchresidueonly．Besides，anoptimumvolatilefattyacids(VFAs)distributionwasobtainedin24hforthethreekindsofhydrolysate，andthesumofaceticacidandbutyricacidwasabout90%oftotalVFAs．Accordingtotheacidproducedrateandaciddistribution，anoptimumdissolvingmethodwasthatthecassavastarchresiduewashydrolyzedfor20minbyhotwaterat150℃andthesubsequentbiologicalacidificationtimewas24h．Keywords:cassavastarchresidue;dissolution;hydrolysis-acidification;volatilefattyacids(VFAs)环境工程技术学报第1卷木薯在我国南方大部分地区是一种重要的制取淀粉的原料，木薯渣是木薯提取淀粉后渣与工艺废水的混合物经机械脱水后得到的残渣。这种副产物在全国每年约有9.25万t(干物质)［1］，如弃之不仅造成资源浪费，还严重污染环境。木薯渣的主要成分为碳水化合物，包括淀粉(66%)、纤维素(21%)、半纤维素(7%)以及蛋白质(4%)［2］，因此木薯渣的资源化利用具有重要意义。目前木薯渣主要用做饲料［3］，此外也用于生产单细胞蛋白、柠檬酸、建材以及与木薯杆混合共同培养黑木耳和食用菌等［1，4-8］。但其用量有限，所以开发其大宗的利用途径显得尤为重要。由于木薯渣中淀粉的颗粒结构及其结晶组织、木质素和纤维素的包裹作用对生物降解具有一定的抑制作用［9-10］，将其投入厌氧反应器直接进行水解酸化会极大降低发酵效率，增加运行能耗［11］。因此如果将木薯渣固相中微生物可利用基质转移到液相中进行可溶化，使半纤维素、纤维素水解为低聚糖或单糖，不仅可以增强淀粉溶解性和流动性，降低黏性［12］，而且可提高生物的降解效率。笔者通过采用高温水热法和酶解法对木薯渣进行可溶化预处理，将木薯渣中的碳水化合物转移到液相水解液中，探索不同的预处理条件对木薯渣水解液的生物酸化特性的影响，以期为提高实际工程应用提供理论依据和借鉴。1材料与方法1.1材料1.1.1木薯渣水解液木薯渣由广西必佳微生物工程有限公司提供。为了更好地对比不同预处理方式对木薯渣水解液生物酸化效果的影响，选择150℃下用蒸馏水水解20和45min;α－淀粉酶水解3h。另外，以未处理的木薯渣进行水解酸化作为对照。木薯渣高温水解及酶水解时的固液比为1∶14。其中酶水解法中α－淀粉酶的添加量为8U/g(以干渣计)，用氨水调节pH至6.0～6.5，在80℃水浴和搅拌条件下水解3h。不同水解液的性质如表1所示。1.1.2污泥的驯化污泥取自天津市纪庄子污水处理厂A2/O工艺的剩余污泥，pH为7.10，氧化还原电位(ORP)为－207mV。分别取800mL污泥置于4个1L的广表1水解液性质Table1Characteristicsofhydrolysate项目CODCr/(mg/L)BOD5/CODCr150℃，水解20min10121.50.53150℃，水解45min11093.10.45α－淀粉酶10449.00.86口瓶中，在36℃水浴及搅拌条件下厌氧培养，每天投加30mL营养液，营养液为人工模拟生活污水。营养液的配制方案［13］:配水的SCODCr约为400mg/L;为了使微生物适应木薯淀粉，采用可溶性淀粉作为碳源，浓度为340mg/L;常量元素有CaCl2·2H2O30mg/L，MgSO4·7H2O25mg/L，FeSO4·7H2O20mg/L;微量元素(储备液，使用时取1mL稀释到1000mL)有H3BO350mg/L，ZnCl250mg/L，CuCl230mg/L，MnSO4·H2O50mg/L，(NH4)6MoO24·H2O50mg/L，AlCl350mg/L，CoCl2·H2O50mg/L;同时为减少蛋白质对水解酸化pH的中和作用，不添加氮源;另外培养时间较短，微生物对磷源的需求较少，因此也不添加磷源。污泥经过5d左右的驯化培养，其pH稳定在6.7～6.8，ORP为－280～－260mV。将驯化好的污泥保存在4℃冰箱里，使用前在36℃下活化1d，活化后污泥的性质如表2所示。表2污泥性质Table2Characteristicofsludgedomesticated指标数值pH7.09ORP/mV－368含水率/%99.4TS/(mg/L)16020VS/(mg/L)8550CODCr/(mg/L)16203SCODCr/(mg/L)11211.2方法木薯渣水解液生物酸化的试验装置如图1所示。将驯化后的污泥重新混匀，分别置于4个广口瓶中，每瓶取泥600mL。接种泥与水解液体积比为3∶1，一次性向4个瓶中分别加入不同的水解液200mL(原水解液体积不足的用蒸馏水补足)，此时投加的4种水解液SCODCr均为3000mg/L，有机负荷为0.47g/g(以SCODCr计)。4组不同预处理木薯渣水·094·第6期王菁等:不同预处理的木薯渣水解液生物酸化特性比较解液的水解酸化方式:①投加木薯渣9.02g作为对照;②投加酶水解液47.9mL;③投加150℃水解液51.9mL，水解20min;④投加150℃水解液47.3mL，水解45min。水解酸化过程中定期取样监测，取样体积为30mL。1—磁力搅拌器;2—搅拌子;3—恒温水浴槽;4—厌氧消化反应器;5—排气口;6—污泥取样口;7—温度计;8—气体收集装置;9—锥形瓶。图1厌氧水解酸化试验装置Fig．1Experimentalset-upofanaerobichydrolysisacidification1.3分析方法污泥总固体(TS)，105℃干燥恒重法;总挥发性固体(VS)，600℃灼烧恒重法;化学需氧量(SCODCr)，重铬酸钾消解法(KDB－III型COD微波消解仪);pH，采用pH计(雷磁pHS－3C型)精确测定;ORP，采用ORP计(METTLERTOLEDOFE20型)测定。挥发性脂肪酸(VFAs):采用LabAlliance高效液相色谱仪，色谱柱为BioRadAminexHPX－87H(300mm×7.8mm)，RI示差检测器，色谱条件:柱温65℃，流动相为5mmol/LH2SO4溶液，流速为0.6mL/min，进样量为20μL。2结果与讨论2.1pH变化图2显示木薯渣水解液在酸化过程中pH的变化。由图2可知，4组水解液在酸化过程中的pH均呈先下降后上升的趋势。在水解酸化初期，由于微生物对颗粒状木薯淀粉或低聚糖等有机大分子的水解及产酸作用，污泥中产生大量的挥发性脂肪酸，使得pH下降。一段时间后，一方面由于污泥中蛋白质逐渐分解形成氨氮，与污泥中的脂肪酸中和;另一方面，微生物消耗了脂肪酸，因此pH会上升。图2显示，投加水解液的3组pH下降较快，在12h时pH均降到最低值5.5;而只投加木薯渣的pH下降较慢，在60h时pH达到最低值5.7。这一结果表明，