用壳聚糖二次处理糖蜜酒精废液的研究

摘要：以脱色率为指标，研究了壳聚糖处理糖蜜酒精废液的最佳条件，并将这些条件用于培养过云芝菌的糖蜜酒精废液的二次处理。发现，在25℃，pH 4.0，搅拌时间30 min，壳聚糖用量0.01 g/mL，转速400 rpm和助凝剂聚丙稀酰胺用量7×10﹣5 g/mL的条件下，脱色效果较好; 两次处理后，每升5倍稀释酒精废液可产0.65g云芝多糖外，其脱色率、CODCr除去率和pH值分别为97.5%，80.3%和6.3。

关键词：糖蜜酒精废液 云芝 壳聚糖 多糖

　　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；IVO G.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（CODcr130,838 mg/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PDA 30g，加入蒸馏水1000 mL，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，NaCl 0.1g，MgSO₄·7H₂O 5g，KH₂PO₄ 1.5g，VB1微量，煮沸溶解后定容至1000 mL，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25 mL于100 mL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。

　　⑷ PAM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10 min，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

　　2.1.2 pH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1 pH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240 min，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30 min（如果用于实际的话，甚至可以选定为10分钟）。比较表2在30 min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

　　2.1.4 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0.2～2.0 g/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2.0 g/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1.0 g/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（4.0 cm×0.5 cm，2.0 cm×0.5 cm）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100 r/m、200 r/m、400 r/m和600 r/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400 rpm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400 rpm为佳。

表3　转子大小和转速对脱色率的影响

　　2.1.6 PAM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1×10－5，3×10－5，5×10－5，7×10－5 g/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

　　2.2 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*