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摘自《中國沼氣》第6期 蔣勇 郭清吉 蔣小玉 褚衍生

苧麻作為工業(yè)紡織的生產(chǎn)原料,其加工產(chǎn)生大量的廢水,主要有:生物酶浸泡廢水、燒堿煮煉廢水、煮煉后清洗廢水,苧麻加工中用水量大,平均處理1t原麻用水500噸,COD產(chǎn)生量5000kg-3)。根據理論推算,1 kgCOD通過(guò)黑膜沼氣池厭氧消化可產(chǎn)生0.35m甲烷,則每加工1t原麻,產(chǎn)生的廢水可生成1750m3甲烷,相當于70GJ的能量,可用于補充整個(gè)工藝的能耗6。而針對苧麻廢水的傳統處理方式是達標排放,極少利用其黑膜沼氣池厭氧消化產(chǎn)沼氣,也未有對不同工藝階段的廢水產(chǎn)氣潛力進(jìn)行研究-10。

本文根據苧麻加工不同工藝階段廢水具有不同特性,分別對其進(jìn)行黑膜沼氣池厭氧消化產(chǎn)沼氣研究,通過(guò)對整個(gè)黑膜沼氣池厭氧消化過(guò)程中各項參數的追蹤,分析不同苧麻廢水的產(chǎn)氣特性,為下一步研究和利用到實(shí)際生產(chǎn)中做準備。

1材料與方法

1.1材料

1.1.1苧麻廢水

苧麻廢水取自湖南省岳陽(yáng)市洞麻廠(chǎng),分為生物

酶浸泡廢水、燒堿煮煉廢水、煮煉后清洗廢水,主要  性質(zhì)見(jiàn)表1。

1.1.2污泥

試驗所用污泥取自本公司黑膜沼氣池厭氧消化反應器中的黑膜沼氣池厭氧污泥,其主要性質(zhì)見(jiàn)表2

1.2實(shí)驗裝置

實(shí)驗裝置見(jiàn)圖1,由1000mL消化瓶(有效體積  800mL)和500mL的排水集氣裝置組成。反應瓶  放入水浴中,并保證水浴液面高于反應瓶?jì)纫好妗?nbsp; 水浴用加熱棒控溫在35℃±1℃。

1.3試驗方法

按照污泥:苧麻廢水=1:1進(jìn)料,發(fā)酵罐TS=  1.5%-2%,分實(shí)驗組和對照組,每組3個(gè)平行。發(fā)酵過(guò)程持續3-4天,每12h搖動(dòng)1次反應瓶,保證有機質(zhì)被充分利用。由于廢水pH值偏高,發(fā)酵液配制好后調節pH值到7.18后開(kāi)始試驗。

1.4參數測定及方法

pH值,總固體(TS),可揮發(fā)性固體(VS),SV,COD,BOD3等常規參數使用標準方法進(jìn)行測定。CH4和CO2百分比利用氣象色譜法進(jìn)行測定,色譜

柱使用PEG-20M毛線(xiàn)管柱,以氮氣為載氣,流速30mL·min。柱箱,進(jìn)樣器和檢測器的溫度分別是180℃,180℃和200℃。產(chǎn)氣量采用排水集氣法測定

2結果與討論

2.1生物酶浸泡廢水產(chǎn)氣特性分析

黑膜沼氣池厭氧消化過(guò)程中日產(chǎn)氣量變化規律如圖2所示,3組平行實(shí)驗均在第2天達到產(chǎn)氣高峰,日產(chǎn)氣量約80mL左右,隨后迅速下降,在第4天停止產(chǎn)氣。從圖3可知苧麻加工的生物酶浸泡廢水黑膜沼氣池厭氧消化累積產(chǎn)氣量可達170mL左右,原料產(chǎn)黑膜沼氣池沼氣潛力為1.13mL·mL廢水。而甲烷含量在第3天可達50%,后續穩定于此,說(shuō)明生物酶浸泡廢水黑膜沼氣池厭氧消化  所產(chǎn)黑膜沼氣池沼氣的可燃性較高(見(jiàn)圖4)。二氧化碳含量則從第1天的50%左右降至產(chǎn)氣停止時(shí)的30%左右,  可見(jiàn)微生物活性較大(見(jiàn)圖5)。日產(chǎn)甲烷量在第2

天達到最高33mL左右(見(jiàn)圖6),累積產(chǎn)甲烷量在第4天產(chǎn)氣停止后達73mL左右(見(jiàn)圖7),可得原料產(chǎn)甲烷潛力為0.49mLmL-廢水。

從表4可知,經(jīng)過(guò)4d的黑膜沼氣池厭氧消化,可使生物酶浸泡廢水的COD降解率達到76%,BOD3降解率達到82%,大部分可生化降解物質(zhì)得到了去除,雖然COD產(chǎn)氣率和產(chǎn)甲烷率較低,但BOD3的產(chǎn)氣率可達394.9mL·g-1,產(chǎn)甲烷率也超過(guò)160mL·g-1,而由表1可知,此廢水BOD3COD為0.31,通常以BOD3COD=0.3為污水可生化降解的下限,所以可認為該廢水的可生化性不強,且pH值偏高,因此造成其COD產(chǎn)氣率不佳12。

2.2燒堿煮煉廢水產(chǎn)氣特性分析

黑膜沼氣池厭氧消化過(guò)程中日產(chǎn)氣量變化規律如圖8所示,3組平行實(shí)驗均在第2天達到產(chǎn)氣高峰,日產(chǎn)氣

量約35mL左右,隨后迅速下降,在第3天停止產(chǎn)  氣。從圖9可知苧麻加工的燒堿煮煉廢水黑膜沼氣池厭氧消化  累積產(chǎn)氣量只有45mL左右,原料產(chǎn)黑膜沼氣池沼氣潛力為  0.3mL·mL廢水。而甲烷含量在第3天僅為30%左右,說(shuō)明燒堿煮煉廢水黑膜沼氣池厭氧消化所產(chǎn)黑膜沼氣池沼氣的可燃性較低(見(jiàn)圖10)。二氧化碳含量則從第1天的50%左右降至產(chǎn)氣停止時(shí)的40%左右,可見(jiàn)微生物活性不低(見(jiàn)圖11)。日產(chǎn)甲烷量在第2天最高超過(guò)13mL(見(jiàn)圖12),累積產(chǎn)甲烷量在第3天產(chǎn)氣停

止后達15mL左右(見(jiàn)圖13),可得原料產(chǎn)甲烷潛力  僅為0.1mLmL廢水。雖然二氧化碳含量顯示整  個(gè)黑膜沼氣池厭氧消化過(guò)程中生物活性不低,但甲烷含量一直  處于較低水平,說(shuō)明甲烷菌的生長(cháng)受到了抑制,才會(huì )  導致整體產(chǎn)氣量和產(chǎn)甲烷量較低。  從表5可知,經(jīng)過(guò)3天的黑膜沼氣池厭氧消化,可使燒堿煮煉廢水的CoOD降解率達到60%,BOD3降解率達到71%,超過(guò)一半的可生化降解物質(zhì)得到了去除,但  COD和BOD3的產(chǎn)氣率和產(chǎn)甲烷率都較低,而由表1可知,此廢水BOD/COD為0.4,通常以BOD3COD=0.3為污水可生化降解的下限,所以可認為該廢水的可生化性較強,這與其產(chǎn)氣差的表現矛盾,推測可能在苧麻加工的燒堿煮煉這步工藝中,由于高溫和高pH值條件的存在,造成許多有毒物質(zhì)的產(chǎn)生,最終導致此廢水產(chǎn)氣效果差.12。

2.3煮煉后清洗廢水產(chǎn)氣特性分析

黑膜沼氣池厭氧消化過(guò)程中日產(chǎn)氣量變化規律如圖14所示,3組平行實(shí)驗均在第2天達到產(chǎn)氣高峰,日產(chǎn)氣量約25mL左右,隨后迅速下降,在第3天停止產(chǎn)氣。從圖15可知苧麻加工的煮煉后清洗廢水黑膜沼氣池厭氧  消化累積產(chǎn)氣量只有30mL左右,原料產(chǎn)黑膜沼氣池沼氣潛力  為0.2mL·mL廢水。而甲烷含量在第3天僅為  23%左右,說(shuō)明煮煉后清洗廢水黑膜沼氣池厭氧消化所產(chǎn)黑膜沼氣池沼氣  的可燃性很低(見(jiàn)圖16)。二氧化碳含量則在40%  30%之間小幅度變化,可見(jiàn)微生物活性較低(見(jiàn)  圖17)。日產(chǎn)甲烷量在第2天達到最高6mL左右  (見(jiàn)圖18),累積產(chǎn)甲烷量在第3天產(chǎn)氣停止后達8  m左右(見(jiàn)圖19),可得原料產(chǎn)甲烷潛力僅為0.05

黑膜沼氣池厭氧消化過(guò)程中生物活性較低,且甲烷含量一直處

于較低水平,說(shuō)明發(fā)酵系統整體生物活性及產(chǎn)甲烷

菌群活性受到了抑制,才會(huì )導致整體產(chǎn)氣量和產(chǎn)甲

烷量較低。

從表5可知,經(jīng)過(guò)3天的黑膜沼氣池厭氧消化,可使煮煉后

清洗廢水的COD降解率達到47%,BOD3降解率達

到50%,約一半的可生化降解物質(zhì)得到了去除,雖

然COD產(chǎn)氣率和產(chǎn)甲烷率不高,但BOD3的產(chǎn)氣率

可達530.4mL·g1,BOD3的產(chǎn)甲烷率也超過(guò)120mL·g,而由表1可知,此廢水BOD3COD為0.29,通常以BOD3/COD=0.3為污水可生化降解的下限,所以可認為該廢水的可生化性較差,這與其產(chǎn)氣差的表現一致,但與其BOD3較高的產(chǎn)氣率矛盾,推測可能是由于此廢水本身COD和BOD含量較低,造成微生物可利用底物較少,因此導致產(chǎn)氣量絕對值偏低,但微生物依然降解了約一半的底物,因此作為相對值的產(chǎn)氣率偏高2。

2.4不同廢水產(chǎn)氣比較

由圖20可知,3種廢水中生物酶浸泡廢水產(chǎn)氣率和產(chǎn)甲烷率最高,分別是燒堿煮煉廢水的3.7倍和4.9倍,是煮煉后清洗廢水的5.6倍和9.8倍,且不同廢水之間差距較大,可達近10倍。圖21顯示同樣的趨勢,生物酶浸泡廢水BOD3和COD降解率最高,分別是燒堿煮煉廢水的1.1倍和1.3倍,是煮煉后清洗廢水的1.6倍,但不同廢水之間差距較少不超過(guò)60%。

由圖22可知,雖然生物酶浸泡廢水在COD產(chǎn)氣率和產(chǎn)甲烷率方面依然是最佳,但與圖20和圖21不同的是,燒堿煮煉廢水的COD產(chǎn)氣率和產(chǎn)甲烷率變得最差,分別只有生物酶浸泡廢水的15%和21%,煮煉后清洗廢水的2%和32%,生物酶浸泡廢水和煮煉后清洗廢水差距卻不大,雖然在發(fā)酵前,燒堿煮煉廢水的COD含量最高,但其COD產(chǎn)氣表現卻最差,一方面原因是底物量大,另一方面可能是高溫和高pH值條件產(chǎn)生了微生物活性抑制物質(zhì)。

由圖23可知,同圖22,燒堿煮煉廢水的BOD  產(chǎn)氣率和產(chǎn)甲烷率最差,但不同的是,煮煉后清洗廢  水的BOD,產(chǎn)氣率和產(chǎn)甲烷率超過(guò)其他兩種廢水,  成為最佳,并分別是生物酶浸泡廢水的1.3倍和  1.2倍,燒堿煮煉廢水的的6.9倍和4.5倍,雖然在發(fā)酵前,燒堿煮煉廢水的BOD3含量最高,但其BOD產(chǎn)氣表現卻最差,原因與其COD產(chǎn)氣表現最差一致。需特別指出的是,煮煉后清洗廢水的初始BOD3含量最低,而B(niǎo)OD3產(chǎn)氣率和產(chǎn)甲烷率卻最高,COD含量也最低,而COD產(chǎn)氣率和產(chǎn)甲烷率卻接近最高,原因可能是底物量小,降解效率高。

結論

3種苧麻廢水產(chǎn)氣規律和表現不同,其中,生物酶浸泡廢水p值最低,COD和BOD,含量較高,其產(chǎn)氣時(shí)間為4天,總體產(chǎn)氣率和有機物降解率最佳。燒堿煮煉廢水pH值最高,COD和BOD3含量也最高,其產(chǎn)氣時(shí)間為3天,有機物降解率較好,而產(chǎn)氣率表現最差。煮煉后清洗廢水pH值較高,COD和BOD3含量最低,其產(chǎn)氣時(shí)間為3天,有機物降解率較差,廢水產(chǎn)氣率表現最差,而COD和BOD3產(chǎn)氣  率較好。因此,COD和BOD含量的高低很大程度  上影響著(zhù)廢水產(chǎn)氣率,而卻對COD和BOD3產(chǎn)氣率  的影響卻較小?？偟膩?lái)說(shuō),通過(guò)黑膜沼氣池厭氧消化,可去除廢  水中大部分有機物,減輕后續處理壓力,并且生物酶  浸泡廢水產(chǎn)氣率較高,可用于生產(chǎn)黑膜沼氣池沼氣,為苧麻加工提供綠色能源。