不同工藝階段的苧麻廢水厭氧消化產沼氣研究

蔣 勇， 郭清吉， 蔣小鈺， 褚衍生

(四川發展中恒能環境科技有限公司， 成都 610094)

苧麻作為工業紡織的生產原料，其加工產生大量的廢水，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1 t原麻用水500 噸，COD 產生量5000 kg[1-5]。根據理論推算，1 kgCOD通過厭氧消化可產生0.35 m3甲烷，則每加工1 t原麻，產生的廢水可生成1750 m3甲烷，相當于70 GJ的能量，可用于補充整個工藝的能耗[6]。而針對苧麻廢水的傳統處理方式是達標排放，極少利用其厭氧消化產沼氣，也未有對不同工藝階段的廢水產氣潛力進行研究[7-10]。

本文根據苧麻加工不同工藝階段廢水具有不同特性，分別對其進行厭氧消化產沼氣研究，通過對整個厭氧消化過程中各項參數的追蹤，分析不同苧麻廢水的產氣特性，為下一步研究和利用到實際生產中做準備。

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，主要性質見表1。

表1 苧麻廢水的主要性質

1.1.2 污泥

試驗所用污泥取自本公司厭氧消化反應器中的厭氧污泥，其主要性質見表2。

表2 接種污泥的主要性質

1.2 實驗裝置

實驗裝置見圖1，由1000 mL消化瓶(有效體積800 mL)和500 mL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內液面。水浴用加熱棒控溫在35℃±1℃。

圖1 厭氧消化反應裝置圖

1.3 試驗方法

按照污泥∶苧麻廢水=1∶1進料,發酵罐TS=1.5%～2%，分實驗組和對照組，每組3個平行。發酵過程持續3～4天，每12 h搖動1次反應瓶，保證有機質被充分利用。由于廢水pH值偏高，發酵液配制好后調節pH值到7.18后開始試驗。

1.4 參數測定及方法

pH值，總固體(TS)，可揮發性固體(VS)，SVI，COD，BOD5等常規參數使用標準方法進行測定[11]。CH4和CO2百分比利用氣象色譜法進行測定，色譜柱使用PEG-20M毛線管柱，以氮氣為載氣，流速30 mL·min-1。柱箱，進樣器和檢測器的溫度分別是180℃，180℃和200℃。產氣量采用排水集氣法測定。

表3 各實驗組組成 (mL)

2 結果與討論

2.1 生物酶浸泡廢水產氣特性分析

厭氧消化過程中日產氣量變化規律如圖2所示，3組平行實驗均在第2天達到產氣高峰，日產氣量約80 mL左右，隨后迅速下降，在第4天停止產氣。從圖3可知苧麻加工的生物酶浸泡廢水厭氧消化累積產氣量可達170 mL左右，原料產沼氣潛力為1.13 mL·mL-1廢水。而甲烷含量在第3天可達50%，后續穩定于此，說明生物酶浸泡廢水厭氧消化所產沼氣的可燃性較高(見圖4)。二氧化碳含量則從第1天的50%左右降至產氣停止時的30%左右，可見微生物活性較大(見圖5)。日產甲烷量在第2天達到最高33 mL左右(見圖6)，累積產甲烷量在第4天產氣停止后達73 mL左右(見圖7)，可得原料產甲烷潛力為0.49 mL·mL-1廢水。

圖2 日產氣量曲線

圖3 累計產氣量曲線

圖4 CH4百分比曲線

圖5 CO2百分比曲線

圖6 日產甲烷曲線

圖7 累計產甲烷曲線

項 目CODBOD5發酵前/(mg·L-1)11176.53500發酵后/(mg·L-1)2651630降解率/%76.382產氣率/(mL·g-1)132.9394.9產甲烷率/(mL·g-1)56.9169.1

從表4可知，經過4 d的厭氧消化，可使生物酶浸泡廢水的COD降解率達到76%，BOD5降解率達到82%，大部分可生化降解物質得到了去除，雖然COD產氣率和產甲烷率較低，但BOD5的產氣率可達394.9 mL·g-1，產甲烷率也超過160 mL·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，所以可認為該廢水的可生化性不強，且pH值偏高，因此造成其COD產氣率不佳[12]。

2.2 燒堿煮煉廢水產氣特性分析

厭氧消化過程中日產氣量變化規律如圖8所示，3組平行實驗均在第2天達到產氣高峰，日產氣量約35 mL左右，隨后迅速下降，在第3天停止產氣。從圖9可知苧麻加工的燒堿煮煉廢水厭氧消化累積產氣量只有45 mL左右，原料產沼氣潛力為0.3 mL·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%左右降至產氣停止時的40%左右，可見微生物活性不低(見圖11)。日產甲烷量在第2天最高超過13 mL(見圖12)，累積產甲烷量在第3天產氣停止后達15 mL左右(見圖13)，可得原料產甲烷潛力僅為0.1 mL·mL-1廢水。雖然二氧化碳含量顯示整個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，說明甲烷菌的生長受到了抑制，才會導致整體產氣量和產甲烷量較低。

圖8 日產氣量曲線

圖9 累計產氣量曲線

圖10 CH4百分比曲線

圖11 CO2百分比曲線

圖12 日產甲烷曲線

圖13 累計產甲烷曲線

項 目CODBOD5發酵前/(mg·L-1)136655500發酵后/(mg·L-1)54001570降解率/%60.571.4產氣率/(mL·g-1)36.576.9產甲烷率/(mL·g-1)11.824.9

從表5可知，經過3天的厭氧消化，可使燒堿煮煉廢水的COD降解率達到60%，BOD5降解率達到71%，超過一半的可生化降解物質得到了去除，但COD和BOD5的產氣率和產甲烷率都較低，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，所以可認為該廢水的可生化性較強，這與其產氣差的表現矛盾，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，造成許多有毒物質的產生，最終導致此廢水產氣效果差[8,12]。

2.3 煮煉后清洗廢水產氣特性分析

厭氧消化過程中日產氣量變化規律如圖14所示，3組平行實驗均在第2天達到產氣高峰，日產氣量約25 mL左右，隨后迅速下降，在第3天停止產氣。從圖15可知苧麻加工的煮煉后清洗廢水厭氧消化累積產氣量只有30 mL左右，原料產沼氣潛力為0.2 mL·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)。日產甲烷量在第2天達到最高6 mL左右(見圖18)，累積產甲烷量在第3天產氣停止后達8 mL左右(見圖19)，可得原料產甲烷潛力僅為0.05 mL·mL-1廢水。總的來說，二氧化碳含量顯示整個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，說明發酵系統整體生物活性及產甲烷菌群活性受到了抑制，才會導致整體產氣量和產甲烷量較低。

圖14 日產氣量曲線

圖15 累計產氣量曲線

圖16 CH4百分比曲線

圖17 CO2百分比曲線

圖18 日產甲烷曲線

圖19 累計產甲烷曲線

項 目CODBOD5發酵前/(mg·L-1)2841.3825發酵后/(mg·L-1)1489406降解率/%47.650.8產氣率/(mL·g-1)164.3530.4產甲烷率/(mL·g-1)37.4120.9

從表5可知，經過3天的厭氧消化，可使煮煉后清洗廢水的COD降解率達到47%，BOD5降解率達到50%，約一半的可生化降解物質得到了去除，雖然COD產氣率和產甲烷率不高，但BOD5的產氣率可達530.4 mL·g-1，BOD5的產甲烷率也超過120 mL·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，所以可認為該廢水的可生化性較差，這與其產氣差的表現一致，但與其BOD5較高的產氣率矛盾，推測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，因此導致產氣量絕對值偏低，但微生物依然降解了約一半的底物，因此作為相對值的產氣率偏高[ 12]。

2.4 不同廢水產氣比較

由圖20可知，3種廢水中生物酶浸泡廢水產氣率和產甲烷率最高，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產氣率和產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產氣率和產甲烷率變得最差，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，雖然在發酵前，燒堿煮煉廢水的COD含量最高，但其COD產氣表現卻最差，一方面原因是底物量大，另一方面可能是高溫和高pH值條件產生了微生物活性抑制物質。

由圖23可知，同圖22，燒堿煮煉廢水的BOD5產氣率和產甲烷率最差，但不同的是，煮煉后清洗廢水的BOD5產氣率和產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，雖然在發酵前，燒堿煮煉廢水的BOD5含量最高，但其BOD5產氣表現卻最差，原因與其COD產氣表現最差一致。需特別指出的是，煮煉后清洗廢水的初始BOD5含量最低，而BOD5產氣率和產甲烷率卻最高，COD含量也最低，而COD產氣率和產甲烷率卻接近最高，原因可能是底物量小，降解效率高。

圖20 廢水產氣率和產甲烷率

圖21 BOD5和COD降解率

圖22 COD產氣率和產甲烷率

圖23 BOD5產氣率和產甲烷率

3 結論

3種苧麻廢水產氣規律和表現不同，其中，生物酶浸泡廢水pH值最低，COD和BOD5含量較高，其產氣時間為4天，總體產氣率和有機物降解率最佳。燒堿煮煉廢水pH值最高，COD和BOD5含量也最高，其產氣時間為3天，有機物降解率較好，而產氣率表現最差。煮煉后清洗廢水pH值較高，COD和BOD5含量最低，其產氣時間為3天，有機物降解率較差，廢水產氣率表現最差，而COD和BOD5產氣率較好。因此，COD和BOD5含量的高低很大程度上影響著廢水產氣率，而卻對COD和BOD5產氣率的影響卻較小。總的來說，通過厭氧消化，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氣率較高，可用于生產沼氣，為苧麻加工提供綠色能源。