不同工藝階段苧麻廢水厭氧消化產(chǎn)沼氣分析

　　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。根據(jù)理論推算，1kgCOD通過厭氧消化可產(chǎn)生0.35m3甲烷，則每加工1t原麻，產(chǎn)生的廢水可生成1750m3甲烷，相當(dāng)于70GJ的能量，可用于補(bǔ)充整個(gè)工藝的能耗。而針對(duì)苧麻廢水的傳統(tǒng)處理方式是達(dá)標(biāo)排放，極少利用其厭氧消化產(chǎn)沼氣，也未有對(duì)不同工藝階段的廢水產(chǎn)氣潛力進(jìn)行研究。

　　本文根據(jù)苧麻加工不同工藝階段廢水具有不同特性，分別對(duì)其進(jìn)行厭氧消化產(chǎn)沼氣研究，通過對(duì)整個(gè)厭氧消化過程中各項(xiàng)參數(shù)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(zhǔn)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市洞麻廠，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)見表1。

　　1.1.2 污泥

　　試驗(yàn)所用污泥取自本公司厭氧消化反應(yīng)器中的厭氧污泥，其主要性質(zhì)見表2。

　　1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

　　實(shí)驗(yàn)裝置見圖1，由1000mL消化瓶(有效體積800mL)和500mL的排水集氣裝置組成。反應(yīng)瓶放入水浴中，并保證水浴液面高于反應(yīng)瓶?jī)?nèi)液面。水浴用加熱棒控溫在35℃±1℃。

　　1.3 試驗(yàn)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(yàn)組和對(duì)照組，每組3個(gè)平行。發(fā)酵過程持續(xù)3～4天，每12h搖動(dòng)1次反應(yīng)瓶，保證有機(jī)質(zhì)被充分利用。由于廢水pH值偏高，發(fā)酵液配制好后調(diào)節(jié)pH值到7.18后開始試驗(yàn)。

　　1.4 參數(shù)測(cè)定及方法

　　pH值，總固體(TS)，可揮發(fā)性固體(VS)，SVI，COD，BOD5等常規(guī)參數(shù)使用標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測(cè)定。CH4和CO2百分比利用氣象色譜法進(jìn)行測(cè)定，色譜柱使用PEG-20M毛線管柱，以氮?dú)鉃檩d氣，流速30mL?min-1。柱箱，進(jìn)樣器和檢測(cè)器的溫度分別是180℃，180℃和200℃。產(chǎn)氣量采用排水集氣法測(cè)定。

　　2、結(jié)果與討論

　　2.1 生物酶浸泡廢水產(chǎn)氣特性分析

　　厭氧消化過程中日產(chǎn)氣量變化規(guī)律如圖2所示，3組平行實(shí)驗(yàn)均在第2天達(dá)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厭氧消化累積產(chǎn)氣量可達(dá)170mL左右，原料產(chǎn)沼氣潛力為1.13mL?mL-1廢水。而甲烷含量在第3天可達(dá)50%，后續(xù)穩(wěn)定于此，說明生物酶浸泡廢水厭氧消化所產(chǎn)沼氣的可燃性較高(見圖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，可見微生物活性較大(見圖5)。日產(chǎn)甲烷量在第2天達(dá)到最高33mL左右(見圖6)，累積產(chǎn)甲烷量在第4天產(chǎn)氣停止后達(dá)73mL左右(見圖7)，可得原料產(chǎn)甲烷潛力為0.49mL?mL-1廢水。

　　從表4可知，經(jīng)過4d的厭氧消化，可使生物酶浸泡廢水的COD降解率達(dá)到76%，BOD5降解率達(dá)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BOD5的產(chǎn)氣率可達(dá)394.9mL?g-1，產(chǎn)甲烷率也超過160mL?g-1，而由表1可知，此廢水BOD5/COD為0.31，通常以BOD5/COD=0.3為污水可生化降解的下限，所以可認(rèn)為該廢水的可生化性不強(qiáng)，且pH值偏高，因此造成其COD產(chǎn)氣率不佳。

　　2.2 燒堿煮煉廢水產(chǎn)氣特性分析

　　厭氧消化過程中日產(chǎn)氣量變化規(guī)律如圖8所示，3組平行實(shí)驗(yàn)均在第2天達(dá)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厭氧消化累積產(chǎn)氣量只有45mL左右，原料產(chǎn)沼氣潛力為0.3mL?mL-1廢水。而甲烷含量在第3天僅為30%左右，說明燒堿煮煉廢水厭氧消化所產(chǎn)沼氣的可燃性較低(見圖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，可見微生物活性不低(見圖11)。日產(chǎn)甲烷量在第2天最高超過13mL(見圖12)，累積產(chǎn)甲烷量在第3天產(chǎn)氣停止后達(dá)15mL左右(見圖13)，可得原料產(chǎn)甲烷潛力僅為0.1mL?mL-1廢水。雖然二氧化碳含量顯示整個(gè)厭氧消化過程中生物活性不低，但甲烷含量一直處于較低水平，說明甲烷菌的生長(zhǎng)受到了抑制，才會(huì)導(dǎo)致整體產(chǎn)氣量和產(chǎn)甲烷量較低。

　　從表5可知，經(jīng)過3天的厭氧消化，可使燒堿煮煉廢水的COD降解率達(dá)到60%，BOD5降解率達(dá)到71%，超過一半的可生化降解物質(zhì)得到了去除，但COD和BOD5的產(chǎn)氣率和產(chǎn)甲烷率都較低，而由表1可知，此廢水BOD5/COD為0.4，通常以BOD5/COD=0.3為污水可生化降解的下限，所以可認(rèn)為該廢水的可生化性較強(qiáng)，這與其產(chǎn)氣差的表現(xiàn)矛盾，推測(cè)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(dǎo)致此廢水產(chǎn)氣效果差。

　　2.3 煮煉后清洗廢水產(chǎn)氣特性分析

　　厭氧消化過程中日產(chǎn)氣量變化規(guī)律如圖14所示，3組平行實(shí)驗(yàn)均在第2天達(dá)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厭氧消化累積產(chǎn)氣量只有30mL左右，原料產(chǎn)沼氣潛力為0.2mL?mL-1廢水。而甲烷含量在第3天僅為23%左右，說明煮煉后清洗廢水厭氧消化所產(chǎn)沼氣的可燃性很低(見圖16)。二氧化碳含量則在40%～30%之間小幅度變化，可見微生物活性較低(見圖17)。日產(chǎn)甲烷量在第2天達(dá)到最高6mL左右(見圖18)，累積產(chǎn)甲烷量在第3天產(chǎn)氣停止后達(dá)8mL左右(見圖19)，可得原料產(chǎn)甲烷潛力僅為0.05mL?mL-1廢水?？偟膩碚f，二氧化碳含量顯示整個(gè)厭氧消化過程中生物活性較低，且甲烷含量一直處于較低水平，說明發(fā)酵系統(tǒng)整體生物活性及產(chǎn)甲烷菌群活性受到了抑制，才會(huì)導(dǎo)致整體產(chǎn)氣量和產(chǎn)甲烷量較低。

　　從表5可知，經(jīng)過3天的厭氧消化，可使煮煉后清洗廢水的COD降解率達(dá)到47%，BOD5降解率達(dá)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BOD5的產(chǎn)氣率可達(dá)530.4mL?g-1，BOD5的產(chǎn)甲烷率也超過120mL?g-1，而由表1可知，此廢水BOD5/COD為0.29，通常以BOD5/COD=0.3為污水可生化降解的下限，所以可認(rèn)為該廢水的可生化性較差，這與其產(chǎn)氣差的表現(xiàn)一致，但與其BOD5較高的產(chǎn)氣率矛盾，推測(cè)可能是由于此廢水本身COD和BOD5含量較低，造成微生物可利用底物較少，因此導(dǎo)致產(chǎn)氣量絕對(duì)值偏低，但微生物依然降解了約一半的底物，因此作為相對(duì)值的產(chǎn)氣率偏高。

　　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(dá)近10倍。圖21顯示同樣的趨勢(shì)，生物酶浸泡廢水BOD5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21%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(xiàn)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BOD5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BOD5產(chǎn)氣率和產(chǎn)甲烷率超過其他兩種廢水，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BOD5含量最高，但其BOD5產(chǎn)氣表現(xiàn)卻最差，原因與其COD產(chǎn)氣表現(xiàn)最差一致。需特別指出的是，煮煉后清洗廢水的初始BOD5含量最低，而BOD5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。

　　3、結(jié)論

　　3種苧麻廢水產(chǎn)氣規(guī)律和表現(xiàn)不同，其中，生物酶浸泡廢水pH值最低，COD和BOD5含量較高，其產(chǎn)氣時(shí)間為4天，總體產(chǎn)氣率和有機(jī)物降解率最佳。燒堿煮煉廢水pH值最高，COD和BOD5含量也最高，其產(chǎn)氣時(shí)間為3天，有機(jī)物降解率較好，而產(chǎn)氣率表現(xiàn)最差。煮煉后清洗廢水pH值較高，COD和BOD5含量最低，其產(chǎn)氣時(shí)間為3天，有機(jī)物降解率較差，廢水產(chǎn)氣率表現(xiàn)最差，而COD和BOD5產(chǎn)氣率較好。因此，COD和BOD5含量的高低很大程度上影響著廢水產(chǎn)氣率，而卻對(duì)COD和BOD5產(chǎn)氣率的影響卻較小?？偟膩碚f，通過厭氧消化，可去除廢水中大部分有機(jī)物，減輕后續(xù)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)沼氣，為苧麻加工提供綠色能源。(來源：四川發(fā)展中恒能環(huán)境科技有限公司)