用壳聚糖二次处理糖蜜酒精废液的研究

用壳聚糖二次处理糖蜜酒精废液的研究糖蜜酒精废液是以糖蜜为原料，经发酵生产酒精的过程中，从蒸馏塔底部排出的颜色深、污染大的酸性有机废水。目前尚未找到一种有效的治理方法。特别地，糖蜜酒精废液颜色污染严重，主要是酚类物质和氨基氮化合物等成分（美拉德色素，酚类色素和焦糖色素等）【1-3】，所以脱色是治理该酒精废液的重要步骤。国内有学者做过用活性炭【1-2】，壳聚糖【4】，或是聚氯化铝【5】处理酒精废液的研究，但存在这样或那样的问题：效果较好但成本高、二次污染大，稀释倍数太大或效果根本就不好；IVOG.L.【6】也提出用壳聚糖处理酒精废液，效果好但稀释倍数大。另外，糖蜜酒精废液富含有机质、蛋白质、糖分、钾、钙、磷、有机盐、酵母尸体和微量元素等，可生化性好，可作为资源回用【7－8】。于是笔者尝试了直接用5倍稀释的糖蜜酒精废液培养云芝（C.versicolor），在获取高附加值的云芝多糖的同时对酒精废液进行预处理，效果较好但是发酵残液有待进一步处理。含量丰富的天然大分子壳聚糖是一种天然阳离子絮凝剂，是甲壳素脱去乙酰基后的产物,可有效除去废水中的有机物质，适于低浓有机废水的絮凝法处理。其机理是电中和废水中的带负电物质，或通过颗粒表面搭桥，使悬浮颗粒聚沉。本研究就是要用壳聚糖对酒精废液进行处理，采用单因素分析法，确定影响絮凝效果的各因素的最佳值，再将所得结果用于处理提取了云芝多糖的酒精废液，取得了较好的效果，为糖蜜酒精废液的处理和资源化利用做了进一步的探索。1材料和方法1.1材料⑴糖蜜酒精废液（CODcr130,838mg/L,pH4.2）：广西贵港糖厂。⑵云芝(C.versicolor,本研究室保存)。⑶壳聚糖：生化试剂，粉状，上海源聚生物科技有限公司生产（脱乙酰度大于90%）。⑷聚丙烯酰胺(PAM)：化学纯，成都市联合化工试剂研究所生产。1.2培养基的配置与糖蜜酒精废液的处理⑴培养基的配置：a斜面培养基：综合PDA30g，加入蒸馏水1000mL，煮沸溶解后分装灭菌，pH自然。b液体种子培养基：葡萄糖30g，蛋白胨10g，NaCl0.1g，MgSO4·7H2O5g，KH2PO41.5g，VB1微量，煮沸溶解后定容至1000mL，分装杀菌，pH自然。c发酵培养基：原始酒精废液稀释5倍后，添加微量VB1，分装杀菌，pH自然。⑵糖蜜酒精废液的预处理：把保存于斜面培养基上的菌种，用液体种子培养基活化，然后用酒精废液驯化，接入发酵培养基中，在适宜转速和温度下培养5d。将发酵液过滤，滤液用于絮凝处理和检测，菌丝体用于提取有药效的云芝多糖和云芝多糖肽。⑶酒精废液的絮凝处理：取稀释到一定倍数的酒精废液25mL于100mL烧杯中，在一定pH下添加一定量的壳聚糖，中速磁力搅拌一定时间（新加坡产HI313型磁力搅拌器），静置，取上清液，检测CODcr和T650，计算脱色率。⑷PAM的助凝实验：在絮凝处理过的酒精废液中继续添加一定量的PAM，慢速搅拌10min，静置，取上清液,测CODcr和T650。1.3分析方法⑴用PHS－29A型酸度计测定pH。⑵按文献9测CODcr。⑶用752C－1型紫外可见分光光度计测T650。⑷脱色率的计算（a为脱色后pH值）：【1】脱色率＝100%*（脱色液T650-pH为a时原液T650）/（100-pH为a时原液T650）2结果及讨论2.1各因素对壳聚糖处理糖蜜酒精废液的影响2.1.1温度对絮凝效果的影响取10倍稀释的原始酒精废液（pH6.3时T650为55.2,脱色后酒精废液pH为6.3），在不同温度下按方法1.2（2）实验。结果如表1。表1温度对T650的影响温度/℃18~2024~262829~3134~3639~41T65082.584.383.483.081.479.8由脱色率计算公式知，T650越大，脱色率越大，即絮凝效果越好。由表1可知，温度越低（但大于24℃），絮凝效果越好。这是因为，壳聚糖对色素分子的絮凝吸附是一个放热过程。但并不是温度越低越好，这体现在24－26℃下的T650（此温度区间内脱色率最大，为65%）比18－20℃下的大，这说明壳聚糖在酒精废液中的脱色过程存在最佳反应温度。从实际情况出发，最好选室温作为处理温度。2.1.2pH对絮凝效果的影响33℃（实验时室温）下，加酸碱调节10倍稀释糖蜜酒精废液的pH值，分别为1.8、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.4，按方法1.2（2）实验，结果如图1所示。可知，pH4.0时脱色效果最好，达65%，但是pH大于8.0时，脱色率有少许升高。这一方面说明pH4.0时壳聚糖的絮凝能力最强；另一方面说明，pH大于8.0时废液中可能有少许色素物质不稳定，转化为其他非色素物质。由于10倍稀释酒精废液的原始pH值为4.3，故在下面实验中，未调节pH值，进行其他参数优选实验。图1pH值对脱色率的影响2.1.3搅拌时间对絮凝效果的影响32℃（实验时室温）下，pH自然，将原始酒精废液稀释5倍（pH4.2，pH6.2时T650为32.7，脱色后酒精废液pH为6.2），选择搅拌时间分别为10、20、30、40、50和240min，按方法1.2（2）实验。由表2中的结果可知，脱色率随着搅拌时间的增加而提高，但提高幅度不大。这可能是因为，实验使用的是粉末状壳聚糖，比表面积大，短时间搅拌便能使壳聚糖和酒精废液中的色素分子有较充分的接触。为了既节能，又尽可能使脱色效果最好（使壳聚糖的絮凝能力趋向饱和），本实验选定搅拌时间为30min（如果用于实际的话，甚至可以选定为10分钟）。比较表2在30min时的脱色率（52.56%）和图1中的最大脱色率(65%)发现，壳聚糖在10倍稀释酒精废液中的脱色效果要好于5倍稀释酒精废液，这说明壳聚糖适于处理低污染负荷的酒精废液。表2搅拌时间对脱色率的影响时间/min1020304050240脱色率/%49.0349.4852.5653.3454.0955.872.1.4壳聚糖用量对絮凝效果的影响分别称取0.05、0.1、0.15、0.2、0.25、0.5、0.75g脱色率，用10倍稀释酒精废液，按方法1.2（2）实验。结果如图2所示：在0.2～2.0g/100mL的壳聚糖用量范围内，随着用量的增大，脱色率增加，处理后酒精废液pH值上升，且用量越大，提高和上升越慢，在壳聚糖用量大于2.0g/100mL时，脱色率不再提高，pH值不再上升。这说明两点，一是壳聚糖用量并不是越大越好，用量大了反而会抑制壳聚糖絮凝能力的发挥，浪费原料；二是壳聚糖能絮凝废液中的酸性物质，使废液pH值上升为6.3，处于6.0～9.0的规定排放范围内。综合考虑，壳聚糖用量为1.0g/100mL最好。图2壳聚糖用量对脱色率的影响2.1.5磁力搅拌转子、转速对絮凝效果的影响（用10倍稀释酒精废液实验）本实验室有两种大小（4.0cm×0.5cm，2.0cm×0.5cm）的磁力搅拌转子，在相同条件下分别按方法1.2（2）实验；另外，分别在100r/m、200r/m、400r/m和600r/m的转速下，按方法1.2（2）实验。由表5的结果可知，使用大转子且转速为400rpm时，壳聚糖絮凝效果好，其它条件下脱色效果较差。原因可能是，转速太大，壳聚糖挂壁多；转速太小，壳聚糖没有充分接触酒精废液；转子太大，转子与烧杯有摩擦，搅拌效果差；转子太小，搅拌不充分。因此，转子大小应适宜（相对容器而言），转速在400rpm为佳。表3转子大小和转速对脱色率的影响大转子小转子100rpm200rpm400rpm600rpmT65084.380.479.582.084.381.5脱色率/%6556546065592.1.6PAM的助凝作用作为线性高分子，PAM是一种常用的人工合成絮凝剂。在酸性介质中，其羧基不会离解，酰胺基和羧基与处于悬浮杂质表面上的分子间形成氢键，故可用作助凝剂。以壳聚糖处理10倍稀释的酒精废液后，分别添加1×10－5，3×10－5，5×10－5，7×10－5g/mL浓度的PAM，按方法1.2(3)实验。由表4的结果可知，在实验范围内，PAM浓度越大，脱色率越高，助凝效果越好，但脱色率最大仅提高4.0%。故在以后的工作中可尝试其它助凝剂，如CaCO3，海藻酸钠等。表4不同PAM用量对脱色率的影响PAM用量/（g·mL-1）01×10－53×10－55×10－57×10－5脱色率/%65.065.366.967.469.02.2在最佳条件下用壳聚糖处理发酵液以发酵液为对象，在最佳条件下按方法1.2（2）和（3）实验。由表6知，用壳聚糖二次处理后，酒精废液pH值为6.3，脱色率从75.6%提高到97.5%，CODcr除去率从63%提高到80.3%，效果较好。故在2.1中得到的最佳条件也适用于糖蜜酒精废液的二次处理。表5最佳条件下生化法与絮凝法联合处理的结果*T650脱色率CODcr除去率发酵后（pH8.1）82.375.6%63%PCH处理后（pH6.3）98.397.5%80.3%3结论和建议3.1在25℃、pH4.0、搅拌时间30min、壳聚糖用量1.0×10－2g/mL、转速400rpm（转子大小适宜）的条件下，用壳聚糖处理糖蜜酒精废液的效果较好。如果添加浓度为7×10－5g/mL的助凝剂PAM，效果会更佳。3.2壳聚糖适于处理低污染负荷的糖蜜酒精废液。5倍稀释的糖蜜酒精废液在培养云芝菌后，用壳聚糖处理，脱色率由75.6%提高到97.5%,CODcr除去率由63.0%提高到80.3%,pH为6.3，效果较好；3.3每升5倍稀释糖蜜酒精废液在预处理过程中可副产云芝多糖0.65g，在二次处理过程中吸附了色素的壳聚糖可用于沼气发酵，故这两次处理过程是资源化利用糖蜜酒精废液的一种有益尝试，有待进一步研究。