————————————————————————————————————————————————————————————

摘自《中国沼气》第6期 蒋勇 郭清吉 蒋小玉 褚衍生

苎麻作为工业纺织的生产原料,其加工产生大量的废水,主要有:生物酶浸泡废水、烧碱煮炼废水、煮炼后清洗废水,苎麻加工中用水量大,平均处理1t原麻用水500吨,COD产生量5000kg-3)。根据理论推算,1 kgCOD通过黑膜沼气池厌氧消化可产生0.35m甲烷,则每加工1t原麻,产生的废水可生成1750m3甲烷,相当于70GJ的能量,可用于补充整个工艺的能耗6。而针对苎麻废水的传统处理方式是达标排放,极少利用其黑膜沼气池厌氧消化产沼气,也未有对不同工艺阶段的废水产气潜力进行研究-10。

本文根据苎麻加工不同工艺阶段废水具有不同特性,分别对其进行黑膜沼气池厌氧消化产沼气研究,通过对整个黑膜沼气池厌氧消化过程中各项参数的追踪,分析不同苎麻废水的产气特性,为下一步研究和利用到实际生产中做准备。

1材料与方法

1.1材料

1.1.1苎麻废水

苎麻废水取自湖南省岳阳市洞麻厂,分为生物

酶浸泡废水、烧碱煮炼废水、煮炼后清洗废水,主要  性质见表1。

1.1.2污泥

试验所用污泥取自本公司黑膜沼气池厌氧消化反应器中的黑膜沼气池厌氧污泥,其主要性质见表2

1.2实验装置

实验装置见图1,由1000mL消化瓶(有效体积  800mL)和500mL的排水集气装置组成。反应瓶  放入水浴中,并保证水浴液面高于反应瓶内液面。  水浴用加热棒控温在35℃±1℃。

1.3试验方法

按照污泥:苎麻废水=1:1进料,发酵罐TS=  1.5%-2%,分实验组和对照组,每组3个平行。发酵过程持续3-4天,每12h摇动1次反应瓶,保证有机质被充分利用。由于废水pH值偏高,发酵液配制好后调节pH值到7.18后开始试验。

1.4参数测定及方法

pH值,总固体(TS),可挥发性固体(VS),SV,COD,BOD3等常规参数使用标准方法进行测定。CH4和CO2百分比利用气象色谱法进行测定,色谱

柱使用PEG-20M毛线管柱,以氮气为载气,流速30mL·min。柱箱,进样器和检测器的温度分别是180℃,180℃和200℃。产气量采用排水集气法测定

2结果与讨论

2.1生物酶浸泡废水产气特性分析

黑膜沼气池厌氧消化过程中日产气量变化规律如图2所示,3组平行实验均在第2天达到产气高峰,日产气量约80mL左右,随后迅速下降,在第4天停止产气。从图3可知苎麻加工的生物酶浸泡废水黑膜沼气池厌氧消化累积产气量可达170mL左右,原料产黑膜沼气池沼气潜力为1.13mL·mL废水。而甲烷含量在第3天可达50%,后续稳定于此,说明生物酶浸泡废水黑膜沼气池厌氧消化  所产黑膜沼气池沼气的可燃性较高(见图4)。二氧化碳含量则从第1天的50%左右降至产气停止时的30%左右,  可见微生物活性较大(见图5)。日产甲烷量在第2

天达到最高33mL左右(见图6),累积产甲烷量在第4天产气停止后达73mL左右(见图7),可得原料产甲烷潜力为0.49mLmL-废水。

从表4可知,经过4d的黑膜沼气池厌氧消化,可使生物酶浸泡废水的COD降解率达到76%,BOD3降解率达到82%,大部分可生化降解物质得到了去除,虽然COD产气率和产甲烷率较低,但BOD3的产气率可达394.9mL·g-1,产甲烷率也超过160mL·g-1,而由表1可知,此废水BOD3COD为0.31,通常以BOD3COD=0.3为污水可生化降解的下限,所以可认为该废水的可生化性不强,且pH值偏高,因此造成其COD产气率不佳12。

2.2烧碱煮炼废水产气特性分析

黑膜沼气池厌氧消化过程中日产气量变化规律如图8所示,3组平行实验均在第2天达到产气高峰,日产气

量约35mL左右,随后迅速下降,在第3天停止产  气。从图9可知苎麻加工的烧碱煮炼废水黑膜沼气池厌氧消化  累积产气量只有45mL左右,原料产黑膜沼气池沼气潜力为  0.3mL·mL废水。而甲烷含量在第3天仅为30%左右,说明烧碱煮炼废水黑膜沼气池厌氧消化所产黑膜沼气池沼气的可燃性较低(见图10)。二氧化碳含量则从第1天的50%左右降至产气停止时的40%左右,可见微生物活性不低(见图11)。日产甲烷量在第2天最高超过13mL(见图12),累积产甲烷量在第3天产气停

止后达15mL左右(见图13),可得原料产甲烷潜力  仅为0.1mLmL废水。虽然二氧化碳含量显示整  个黑膜沼气池厌氧消化过程中生物活性不低,但甲烷含量一直  处于较低水平,说明甲烷菌的生长受到了抑制,才会  导致整体产气量和产甲烷量较低。  从表5可知,经过3天的黑膜沼气池厌氧消化,可使烧碱煮炼废水的CoOD降解率达到60%,BOD3降解率达到71%,超过一半的可生化降解物质得到了去除,但  COD和BOD3的产气率和产甲烷率都较低,而由表1可知,此废水BOD/COD为0.4,通常以BOD3COD=0.3为污水可生化降解的下限,所以可认为该废水的可生化性较强,这与其产气差的表现矛盾,推测可能在苎麻加工的烧碱煮炼这步工艺中,由于高温和高pH值条件的存在,造成许多有毒物质的产生,最终导致此废水产气效果差.12。

2.3煮炼后清洗废水产气特性分析

黑膜沼气池厌氧消化过程中日产气量变化规律如图14所示,3组平行实验均在第2天达到产气高峰,日产气量约25mL左右,随后迅速下降,在第3天停止产气。从图15可知苎麻加工的煮炼后清洗废水黑膜沼气池厌氧  消化累积产气量只有30mL左右,原料产黑膜沼气池沼气潜力  为0.2mL·mL废水。而甲烷含量在第3天仅为  23%左右,说明煮炼后清洗废水黑膜沼气池厌氧消化所产黑膜沼气池沼气  的可燃性很低(见图16)。二氧化碳含量则在40%  30%之间小幅度变化,可见微生物活性较低(见  图17)。日产甲烷量在第2天达到最高6mL左右  (见图18),累积产甲烷量在第3天产气停止后达8  m左右(见图19),可得原料产甲烷潜力仅为0.05

黑膜沼气池厌氧消化过程中生物活性较低,且甲烷含量一直处

于较低水平,说明发酵系统整体生物活性及产甲烷

菌群活性受到了抑制,才会导致整体产气量和产甲

烷量较低。

从表5可知,经过3天的黑膜沼气池厌氧消化,可使煮炼后

清洗废水的COD降解率达到47%,BOD3降解率达

到50%,约一半的可生化降解物质得到了去除,虽

然COD产气率和产甲烷率不高,但BOD3的产气率

可达530.4mL·g1,BOD3的产甲烷率也超过120mL·g,而由表1可知,此废水BOD3COD为0.29,通常以BOD3/COD=0.3为污水可生化降解的下限,所以可认为该废水的可生化性较差,这与其产气差的表现一致,但与其BOD3较高的产气率矛盾,推测可能是由于此废水本身COD和BOD含量较低,造成微生物可利用底物较少,因此导致产气量绝对值偏低,但微生物依然降解了约一半的底物,因此作为相对值的产气率偏高2。

2.4不同废水产气比较

由图20可知,3种废水中生物酶浸泡废水产气率和产甲烷率最高,分别是烧碱煮炼废水的3.7倍和4.9倍,是煮炼后清洗废水的5.6倍和9.8倍,且不同废水之间差距较大,可达近10倍。图21显示同样的趋势,生物酶浸泡废水BOD3和COD降解率最高,分别是烧碱煮炼废水的1.1倍和1.3倍,是煮炼后清洗废水的1.6倍,但不同废水之间差距较少不超过60%。

由图22可知,虽然生物酶浸泡废水在COD产气率和产甲烷率方面依然是最佳,但与图20和图21不同的是,烧碱煮炼废水的COD产气率和产甲烷率变得最差,分别只有生物酶浸泡废水的15%和21%,煮炼后清洗废水的2%和32%,生物酶浸泡废水和煮炼后清洗废水差距却不大,虽然在发酵前,烧碱煮炼废水的COD含量最高,但其COD产气表现却最差,一方面原因是底物量大,另一方面可能是高温和高pH值条件产生了微生物活性抑制物质。

由图23可知,同图22,烧碱煮炼废水的BOD  产气率和产甲烷率最差,但不同的是,煮炼后清洗废  水的BOD,产气率和产甲烷率超过其他两种废水,  成为最佳,并分别是生物酶浸泡废水的1.3倍和  1.2倍,烧碱煮炼废水的的6.9倍和4.5倍,虽然在发酵前,烧碱煮炼废水的BOD3含量最高,但其BOD产气表现却最差,原因与其COD产气表现最差一致。需特别指出的是,煮炼后清洗废水的初始BOD3含量最低,而BOD3产气率和产甲烷率却最高,COD含量也最低,而COD产气率和产甲烷率却接近最高,原因可能是底物量小,降解效率高。

结论

3种苎麻废水产气规律和表现不同,其中,生物酶浸泡废水p值最低,COD和BOD,含量较高,其产气时间为4天,总体产气率和有机物降解率最佳。烧碱煮炼废水pH值最高,COD和BOD3含量也最高,其产气时间为3天,有机物降解率较好,而产气率表现最差。煮炼后清洗废水pH值较高,COD和BOD3含量最低,其产气时间为3天,有机物降解率较差,废水产气率表现最差,而COD和BOD3产气  率较好。因此,COD和BOD含量的高低很大程度  上影响着废水产气率,而却对COD和BOD3产气率  的影响却较小。总的来说,通过黑膜沼气池厌氧消化,可去除废  水中大部分有机物,减轻后续处理压力,并且生物酶  浸泡废水产气率较高,可用于生产黑膜沼气池沼气,为苎麻加工提供绿色能源。