乳品废水厌氧发酵生化指标变化的研究.pdf
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2004年12月合肥学院学报(自然科学版)第14卷第4期Dec.2004JournalofHefeiUniversity(NaturalSciences)Vol.14,No.4乳品废水厌氧发酵生化指标变化的研究金杰1a,刘斌1a,俞志敏1b(1.合肥学院a.生物与环境工程系,b.化学与材料工程系,安徽合肥230022)摘要:
通过厌氧发酵对乳品加工废水处理过程中的生化指标测定,找出影响因素,并进行较为系统的分析和研究。
主要影响因素有温度、泥水比、发酵时间,它们在一定的范围内对乳品废水厌氧发酵、降解有机物有较大的影响。
试验通过厌氧发酵对乳品废水进行处理,探寻出各单因素对乳品废水厌氧发酵的影响,找出最佳处理结果,得出各因素的合理组合,从而优化乳品废水厌氧发酵的工艺条件。
关键词:
乳品废水;泥水比;厌氧发酵中图分类号:
TQ920.6+2文献标识码:
A文章编号:
1009-1297(2004)04-0014-05乳品废水主要来源与牛乳输送、加工过程中排出的洗涤水以及加工设备的冲刷水,其主要成分有蛋白质、乳脂、乳糖等有机物质。
如果直接排放,对环境的污染较为严重。
因乳品废水的有机物质,不含有毒害物,易被微生物分解。
常用处理方法是生化法,也就是直接用好氧法处理,本试验在实验室条件下对乳品废水采取间歇式厌氧发酵,为进一步进行循环式厌氧生物处理食品废水打下基础。
1试验原理与依据厌氧生物处理即是在无分子氧条件下,通过兼性厌氧菌和专性厌氧菌的代谢作用降解废水中有机污染物质,将大分子物质降解为小分子无机物质,分解的过程中以及最终可以产生CH4、H2、CO2和H2S等一些气体。
溶解性有机物质在厌氧条件下,降解过程可分为酸性发酵阶段和碱性发酵阶段,又称产酸阶段和产甲烷阶段。
在酸性发酵阶段,有机物主要分解为乙酸、丙酸和丁酸等挥发性有机酸和醇类以及氢气和二氧化碳等。
在碱性发酵阶段,产甲烷菌把第一阶段生成的挥发性酸、醇类等中间产物转化为CH4,CO2。
由于含氮有机物被厌氧降解,最后产物中会有少量的H2S和NH3存在。
产酸菌有兼性的也有厌氧的,而产甲烷菌则是严格的厌氧菌。
产甲烷菌世代期长,生长缓慢,对环境变化如pH、温度、重金属离子等较产酸菌敏感得多。
所以在厌氧发酵过程中产酸和产甲烷二阶段要达到平衡。
有机物厌氧分解过程中存在三组不同的互相共生的微生物群体。
第一组是发酵细菌,能把复杂的有机物转化为脂肪酸、醇、H2和CO2。
第二组是是产氢产乙酸菌,把第一组细菌生成物转化为乙酸,H2和CO2。
第三组为产甲烷菌把乙酸、H2和CO2转化为甲烷。
此三组微生物群体之间相互依存,保持平衡,一旦平衡破坏,厌氧发酵就不能正常运行。
与好氧生物处理法相比,厌氧生物处理法不需要人为的曝气提供氧气,因而投资小,需要消耗的动力小,节省了能耗,运行费用低。
另一方面厌氧处理可产生沼气,同时可产大量能源供回收利用,是资源有效利用的方法之一。
通过厌氧生物处理,可去除废水中大收稿日期:
2004-06-24修回日期:
2004-09-10基金项目:
合肥学院自然科学基金资助(04ky00728)作者简介:
金杰(1965-),男,安徽黄山人,合肥学院生物与环境工程系讲师;研究方向:
植物生态及环境工程。
41量的有机物质,防止污染环境,且因厌氧生物处理法最终产物主要是沼气而获得可观的生物能源。
除此之外厌氧生物处理法比好氧生物处理法固体量一般可减少约1/2,并提高了污泥脱水性能,产污泥少,直接将大分子物质转化为简单的化合物,便于管理运行。
基于上述原因我们对乳品废水进行了厌氧处理试验,并优化乳品废水厌氧发酵的工艺条件。
2试验材料和方法2.1试验用废水试验采用的乳品废水是合肥市某集团乳业公司生产乳制品过程中排放出的废水,其水中有机物含量分析如表1。
表1源水中的生化指标测定值项目蛋白质(g/mL)脂肪酸酸值(g/mL)挥发性脂肪酸酸值(g/mL)还原糖含量810.10.440.098-2.2试验用菌种来源菌种来自合肥市某集团乳业公司污水处理曝气池中产生的絮状污泥。
经过四天的沉降,利用血球计数板计数得出污泥菌数浓度为6.25108个/mL。
2.3工艺流程及设备试验主要设备如图1所示。
厌氧发酵罐的有效总体积为2500mL。
此设备是简易的厌氧发酵装置,其操作如下:
先将一定的污泥加入到发酵罐中,再加满乳品废水水样,排水罐中加满洁净水。
如图1所示密封罐口,导管1为排气管,当发酵罐发酵后产气进入排气管1挤压排水罐,使中水排出由排水管2进入集水量筒,由此计算出发酵产气量。
整个装置的密封性要求良好。
进行水样分析时,由出样口排出水样进行直接分析。
图1厌氧发酵及排水集气装置2.4分析项目与方法2.4.1蛋白质含量测定采用Folin-酚试剂法。
2.4.2还原糖含量测定采用DNS法。
注:
经测定,水样中还原糖含量基本没有,以后结果分析就不作考虑。
2.4.3脂肪酸、挥发性脂肪酸酸值测定利用氢氧化钾标准溶液滴定游离脂肪酸,以1mL水样中游离脂肪酸所需要的氢氧化钾毫克数来表示水样中脂肪酸的酸值。
2.4.4糖化酶酶活力测定采用次碘酸钠法进行测定。
注:
经过测定,因糖化酶酶活力基本没有,所以以后结果分析不作考虑。
2.4.5蛋白酶酶活力测定采用Folin-酚试剂法。
2.4.6脂肪酶酶活力测定脂肪酶在一定条件下,将甘油三脂水解,在不同的阶段可放出脂肪酸、甘油二脂、甘油单脂及甘油。
水解反出的脂肪酸可用标准碱液来滴定从而测定出脂肪酶活力。
注:
本试验中脂肪酶酶活力一般为0.5,没有什么变化,故以后结果分析不作考虑。
3试验结果与分析3.1泥水比试验结果与分析泥水比(污泥与废水样比)以1/49,1/24,1/16,1/11.5,1/9,1/7为梯度进行为期3天的厌氧发酵,温度为常温(温度范围是2125)。
其试验结果如图2图6所示。
51图2泥水比对蛋白质含量的影响图3泥水比对蛋白酶活力的影响图4泥水比对脂肪酸值的影响图5泥水比对挥发性脂肪酸值的影响图6泥水比对产气量的影响由以上图表可以看出,当泥水比为1/11.5时,蛋白质含量为最低值309.4g/mL,证明此泥水比下蛋白质降解效果最佳,与源水810.1g/mL相比降低了500.7g/mL。
蛋白酶酶活力为15.88IU/mL最高值,显示出此泥水比下蛋白酶活性最强。
脂肪酸值与挥发性脂肪值均接近最高分别为0.30g/mL和0.28g/mL,比其他泥水比下降解大分子碳链为脂肪酸的效果要好得多。
另外,此泥水比下厌氧发酵产气量亦为最多18.2mL。
由此可知泥水比为1/11.5时对厌氧发酵处理乳品废水时效果最佳。
3.2时间试验结果与分析时间以2天、4天、6天、8天、10天、12天为间隔,泥水比为111.5,温度为常温(温度范围为2125)进行试验,其结果如图7-图11所示。
从图7可以看当采用厌氧发酵方式处理乳品废水时,蛋白质含量随着发酵时间的延长有逐步下降的趋势。
发酵刚开始由于发酵罐中有好氧微生物(来自于好氧曝气池的污泥)和一定的氧气的存在,进行的发酵早期可能是好氧发酵,此时主要是好氧微生物利用废水中的含氮、碳等有机物质进行的生物细胞合成,其中很重要的为蛋白质合成,因此开始是蛋白质含量较高;但随着时间延长一些兼性微生物和厌氧微生物的活跃对蛋白质的分解进入了旺盛阶段,蛋白质含量迅速下降。
从图8可以看出当发酵进入第4天时蛋白酶活性达到最高值13.075(IU/mL),证明蛋白质分解处于最高峰。
图9、图10显示脂图7时间对蛋白质含量的影响图8时间对蛋白酶活力的影响61图9时间对脂肪酸酸值的影响图10时间对挥发性脂肪酸酸值的影响图11时间对产气量的影响肪酸值和挥发性脂肪酸值变化趋势不明显,这可能与源水中脂肪含量不高有关,但逐步上升,证明脂肪链的水解也在进行中。
由图11产气量上的变化趋势看当发酵进入第4天时就有很大的提高。
因此为缩短发酵时间提高效率至少要保证有4天的发酵,此时各有机物降解较快,而酶活力亦最强。
3.3温度试验结果与分析温度以20,25,30,35,40为温度梯度进行厌氧发酵,泥水比为1/11.5,发酵时间为4天。
4天后测的结果如图12图16所示。
图12温度对蛋白质含量的影响图13温度对蛋白酶活力的影响图14温度对脂肪酸酸值的影响图15温度对挥发性脂肪酸酸值的影响由图12可以看出当温度为30时蛋白质含量开始急剧下降,以后随着温度提高亦有下降,但不甚明显。
根据图13表明当温度为30时蛋白酶活力为最强达到6.50(IU/mL),之后随温度升高有下降趋图16温度对气量的影响势,证明此温度为蛋白质分解最佳温度。
图14、图15显示在温度为30时脂肪酸值为最大,证明此温度对脂肪碳链的分解效果也最好。
据图16可以分析得出当温度为30时,厌氧发酵过程中产气最多。
因此当温度为30时各有机物降解,酶活力以及产气量为均为最佳。
3.4结论根据以上几组试验数据结果分析表明,在进行间歇式乳品废水的厌氧处理过程中需要在一定范围内保证合理的发酵条件才能达到最为有效的有机物降解。
本试验得出在泥水比为111.5,发酵时间为4天,发酵温度保持在30时,可作为厌氧发酵处理乳品废水的最佳工艺参数组合。
由于我们在本次试验中所采用的菌种,来源于好氧处理曝气池的活性污泥,因此在早期进行发酵时可能为好氧微生物的活动占主体,而厌氧和兼性厌氧的微生物数量开始处于比较低的水平,要使其数量增大、活动水平增高需有一个较为缓慢的过渡期,从而才能实现微生物从好氧到厌氧的种群更替进入厌71氧发酵过程。
这就是为什么在本次时间试验中不能迅速地进入最佳状态的原因。
所以为了能在废水处理中缩短发酵时间周期和提高效率,我们需要筛选出一定的优势厌氧菌种进行接种。
参考文献:
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罗季重AnExperimentalStudyofBiochemicalIndexesofWasteWaterofDairybyAnaerobicFermentationJINJie1a,LIUBing1a,YUZhi2min1b(1.HefeiUniversity,a.DepartmentofBiologicalandEnvironmentalEngineering,b.DepartmentofChemistryandMaterialEngineering,HefeAnhui230022,China)Abstract:
Inthediposingofwastewaterofdairybyanaerobicfermentation,wedeterminesomeofbiochemicaltar2gets.Byfindingoutsomeofinfluencefactors,thenwecanstudyandanalysethem.Theresultshowsthemainfactorsincludingtempreture,ratioofmudtowastewaterandfermentationtime.Thesefactorseffectonanaerobicfermenta2tionanddecomposeorganicmatter.Wetestthedataforeachfactorandstudyit.Atlastwefindoutthebesttechno2logicalparameterfordiposingofwastewaterofdairy.Keywords:
wastewaterofdairyproducts;ratioofmudtowastewater;anaerobicfermentation81
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