薄皮核桃殼活性炭處理啤酒工業(yè)廢水的研究

劉婭,董瑞,顏海燕,李江

(石河子大學(xué)食品學(xué)院,石河子832003)

薄皮核桃殼活性炭處理啤酒工業(yè)廢水的研究

劉婭,董瑞,顏海燕,李江

(石河子大學(xué)食品學(xué)院,石河子832003)

啤酒廢水中含有大量的有機(jī)物,若不加治理直接外排,將導(dǎo)致地表水和地下水的污染。本文以自制的薄皮核桃殼活性炭為吸附劑,對啤酒廠發(fā)酵罐CIP清洗的廢水進(jìn)行吸附處理,以啤酒工業(yè)廢水COD和DO的去除率為考核指標(biāo),通過單因素和正交試驗(yàn),得到降低COD的最佳處理工藝參數(shù)為:活性炭與p H=8的啤酒工業(yè)廢水以1∶20的料液比混合,室溫下吸附20min,COD的去除率可達(dá)77.5%;降低DO的最佳處理工藝參數(shù)為:活性炭與p H=8的啤酒工業(yè)廢水以1∶10的料液比混合,室溫下吸附20min,DO的去除率可達(dá)90.0%。

薄皮核桃殼活性炭;啤酒工業(yè);廢水處理;COD;DO

啤酒是釀酒業(yè)中廢水和污染物排放大戶,啤酒廢水占全國工業(yè)廢水排放總量的1.3%,所排化學(xué)需氧量(COD)占全國工業(yè)廢水中COD排放總量的0.5%。

啤酒廢水含有較高濃度的有機(jī)物,如糖類、醇類、維生素、氨基酸、酒糟等,若未經(jīng)處理直接排入自然水體,會導(dǎo)致水質(zhì)發(fā)黑變臭,嚴(yán)重污染環(huán)境。因此,在水資源供應(yīng)日趨緊張的今天,如何有效處理啤酒廢水,已成為環(huán)境保護(hù)的一項(xiàng)重要研究內(nèi)容之一。

活性炭是一種優(yōu)良的吸附劑,其發(fā)達(dá)的細(xì)孔結(jié)構(gòu)和特殊的表面特性使它在水處理技術(shù)中得以廣泛應(yīng)用。近年來,以廢棄的杏核、花生殼、椰殼、檳榔渣等物質(zhì)原料制備活性炭成為企業(yè)、學(xué)者研究的熱點(diǎn),但以新疆薄皮核桃殼為原料生產(chǎn)的活性炭進(jìn)行應(yīng)用性研究卻未見報道。

本文以新疆薄皮核桃殼制備的活性炭為吸附劑,對啤酒廠發(fā)酵罐定位清洗(CIP)產(chǎn)生的工業(yè)廢水進(jìn)行吸附凈化處理,以期為核桃殼活性炭在啤酒廢水處理方面的應(yīng)用提供有益探索。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)原料

薄皮核桃殼:新疆和田農(nóng)十四師224團(tuán)提供;薄皮核桃殼活性炭:ZnCl2活化法自制,60～80目;活性炭:河南省鞏義市,60～80目;啤酒工業(yè)廢水:發(fā)酵罐CIP清洗廢水直接取樣,啤酒廠提供。

1.2 藥品與試劑

ZnCl2、H3PO4、I2、Na2S2O3、HgSO4、CuSO4·5H2O、KI、MnSO4、NaOH、KIO3、K2Cr2O7、亞甲藍(lán)、鄰苯二甲酸氫鉀、可溶性淀粉等,均為分析純。

1.3 主要儀器設(shè)備

KQ5200B超聲波清洗器,昆山市超聲儀器有限公司;FPC99粉碎機(jī),深圳市威斯比生物科技有限公司;PB-20p H計,北京賽多利斯儀器設(shè)備公司;UV759紫外可見分光光度計,上海第二儀器廠;85-2恒溫磁力攪拌器,江蘇醫(yī)療儀器廠。

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 新疆薄皮核桃殼活性炭制備工藝

主要過程為:核桃殼→干燥、粉碎→53%氯化鋅浸漬→微波中高火活化,輻射19min→水洗過濾→干燥→活性炭成品。

1.4.2 薄皮核桃殼活性炭處理啤酒工業(yè)廢水工藝

將制備的薄皮核桃殼活性炭投入一定量啤酒工業(yè)廢水中,并用超聲波進(jìn)行輔助處理,濾紙過濾,測定處理前后廢水中的COD和DO變化。

1.4.3 啤酒工業(yè)廢水中COD的測定

重鉻酸鉀法測定。COD去除效果以COD%,即COD去除百分率表示。

1.4.4 啤酒工業(yè)廢水中溶氧(DO)的測定

碘量法測定。DO去除效果以DO去除的百分率表示,即DO%。

1.5 試驗(yàn)方案

1.5.1 薄皮核桃殼活性炭處理啤酒工業(yè)廢水的單因素試驗(yàn)

將一定量的活性炭加入到啤酒工業(yè)廢水中,在超聲波的作用下,分別考察溫度、p H、吸附處理時間、料液比對廢水中COD和DO去除效果的影響。

1.5.2 薄皮核桃殼活性炭處理啤酒工業(yè)廢水的正交試驗(yàn)

在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,對影響COD和DO去除效果的四個因素:料液比、p H、溫度、吸附處理時間進(jìn)行L9(34)正交試驗(yàn),確定活性炭處理啤酒工業(yè)廢水的最佳條件。

1.5.3 活性炭處理啤酒工業(yè)廢水的比較

分別選用市售活性炭和自制活性炭,在上述最佳處理?xiàng)l件下比較處理啤酒工業(yè)廢水的效果。

2 結(jié)果與分析

2.1 啤酒工業(yè)廢水中的COD和DO

化學(xué)需氧量(COD)是水環(huán)境監(jiān)測中最重要的有機(jī)污染綜合指標(biāo)之一,它可用以判斷水體中有機(jī)物的相對含量。按照前述測定方法對啤酒企業(yè)發(fā)酵罐CIP清洗廢水進(jìn)行檢測,所采集的啤酒工業(yè)廢水COD為941 mg/L。

溶解氧(DO)的含量是評價水體、水質(zhì)和水體自凈能力的重要指標(biāo),也是水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)、自來水廠、污水處理廠和水質(zhì)監(jiān)測部門必不可少的測定項(xiàng)目。DO的變化在一定程度上反映水體受污染的程度。檢測結(jié)果表明,啤酒企業(yè)發(fā)酵罐CIP清洗廢水的DO為144.0 mg/L。

2.2 單因素試驗(yàn)

2.2.1 吸附溫度對啤酒工業(yè)廢水處理效果的影響

活性炭與啤酒工業(yè)廢水的料液比1:30,p H=8的條件下超聲波處理20 min,分別考察吸附溫度20℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃對啤酒工業(yè)廢水處理效果的影響,試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 溫度對廢水處理效果的影響Fig.1 Effect of temperature on wastewater treatment

由圖1可知,溫度在20～30℃時,隨著溫度的升高,COD%和DO%均呈上升趨勢,30℃～60℃時,COD%和DO%有所下降,其中COD%減少的更為明顯。這是因?yàn)闇囟葧绊懟钚蕴康奈叫阅?溫度升高,解吸速度大于吸附速度,因此30℃為活性炭處理啤酒廢水的適宜溫度。

2.2.2 吸附處理時間對啤酒工業(yè)廢水處理效果的影響

用薄皮核桃殼活性炭處理啤酒廢水,在料液比1∶30,p H=8,溫度30℃的條件下,考察活性炭吸附處理時間對啤酒工業(yè)廢水處理效果的影響,試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。由圖2可知,吸附時間從10 min升至30 min時,COD%和DO%的變化幅度較大,隨著吸附過程的進(jìn)行,活性炭吸附達(dá)到平衡,因此在30 min以后,變化基本趨于平穩(wěn)。

圖2 吸附時間對廢水處理效果的影響Fig.2 Effect of adsorption time on wastewater treatment

2.2.3 pH對啤酒工業(yè)廢水處理效果的影響

在料液比1∶30,溫度30℃,吸附處理時間30 min的條件下,控制p H在5～12范圍內(nèi)變化,研究p H對活性炭處理啤酒工業(yè)廢水效果的影響,其試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由圖3可知,從啤酒廢水中去除有機(jī)物和降低COD和DO的最適p H為8,這可能是由于p H會改變活性炭表面化學(xué)基團(tuán)的特性從而導(dǎo)致活性炭吸附性能的變化。

圖3 pH對廢水處理效果的影響Fig.3 Effect of pH on wastewater treatment

2.2.4 料液比對啤酒工業(yè)廢水處理效果的影響

活性炭處理時間30 min,溫度30℃,p H=8的條件下考察料液比對活性炭處理啤酒工業(yè)廢水效果的影響,試驗(yàn)結(jié)果見表1。由表1可知,在活性炭量一定的條件下,隨著啤酒廢水量的加大,活性炭達(dá)到其吸附飽和點(diǎn)以后,不再進(jìn)行吸附,則 COD%和DO%均呈現(xiàn)出下降趨勢。因此,料液比以1∶10為宜。

表1 料液比對處理啤酒廢水處理效果的影響Tab.1 Effect of ratio between material and liquid on brewery waste water treatment

2.3 正交試驗(yàn)

根據(jù)活性炭處理啤酒廢水的單因素試驗(yàn),選擇溫度、料液比、吸附處理時間、p H進(jìn)行L9(34)正交試驗(yàn),每組3個平行,以優(yōu)化啤酒廢水的活性炭處理?xiàng)l件。正交試驗(yàn)因素水平表見表2,正交試驗(yàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表2 L9(34)正交試驗(yàn)因素水平Tab.2 orthogonal experiment table of L9(34)

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Results of orthogonal experiment

1)COD%方差分析結(jié)果見表4,COD%各因素、水平間差異顯著性檢驗(yàn)見以上尿素,見表5。

由方差分析可知,活性炭處理啤酒廢水達(dá)到COD%最大值的最優(yōu)組合為A1B1C2D2,即溫度20℃,吸附處理時間20 min,料液比1∶20,p H=8。對得出的最優(yōu)組合進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn),COD%可達(dá)77.5%。

表4 COD%方差分析Tab.4 Variance analysis of COD%

表5 COD%各因素、水平間差異顯著性檢驗(yàn)Tab.5 Significance test of Various factors and levels on COD%

2)DO%方差分析結(jié)果見表6,DO%各因素、水平間差異顯著性檢驗(yàn),見表7。

DO%的方差分析可知,活性炭處理啤酒廢水達(dá)到DO%最大值的最優(yōu)組合為 A1B1C1D2,即溫度20℃,吸附處理時間 20min,料液比 1∶10,p H=8。對得出的最優(yōu)組合進(jìn)行驗(yàn)證,DO%可達(dá)90.0%。

表6 DO%方差分析表Tab.6 Variance analysis of DO%

表7 DO%各因素、水平間差異顯著性檢驗(yàn)Tab.7 Significance test of various factors and levels on DO%

2.4 活性炭處理啤酒工業(yè)廢水的比較

結(jié)果見表8,在溫度20℃,吸附處理時間20 min,料液比1∶10,p H=8的條件下,比較市售活性炭與薄皮核桃殼活性炭處理啤酒工業(yè)廢水的效果。

表8 市售活性炭和薄皮核桃殼活性炭處理啤酒工業(yè)廢水的比較Tab.8 comparison of treatment on brewery waste water between marker activated carbon and thin walnut shell activated carbon

由表8可知,市售活性炭在降低啤酒工業(yè)廢水CDO和DO上稍優(yōu)于自制的薄皮核桃殼活性炭,但二者并無顯著性差異,說明自制薄皮核桃殼活性炭可用于啤酒工業(yè)廢水的處理。

3 結(jié)論

1)薄皮核桃殼活性炭可有效降低啤酒工業(yè)發(fā)酵罐CIP清洗中廢水的COD和DO,且與市售活性炭處理效果無顯著性差異,從而為其在食品工業(yè)廢水中的進(jìn)一步應(yīng)用提供了有益參考。

2)對于降低啤酒工業(yè)廢水中COD而言,薄皮核桃殼活性炭處理的最佳工藝條件為:溫度20℃,活性炭吸附處理時間20 min,料液比1∶20,p H=8,此時,COD%達(dá)到77.5%;對于降低廢水中DO而言,活性炭處理的最佳工藝條件:溫度20℃,活性炭吸附處理時間20 min,料液比1:10,p H=8,此時,DO%達(dá)到90.0%。

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Application of Activated Carbon Produced from Thin Walnut Shells in the Brewery Wastewater Treatment

LIU Ya,DONG Rui,YAN Haiyan,LI Jiang
(Food College,Shihezi University,Shihezi 832003,China)

Brewery wastewater contains large amounts of organic waste,if they were not recovered and discharged directly,it would result in surface water and groundwater pollution.In this article,we adopted the activated carbon of thin walnut shell made by ourselves to purify the brewery wastewater come from the fermenter cleaned by CIP,and combined with the index of the removal percentage of COD and DO to determine the optimum treatment condition through the single factor and orthogonal tests.It was that the removal percentage of COD reached 77.5%by optimal processing,the ratio of activated carbon to brewery wastewater(p H=8)was 1∶20,time for adsorption was 20min at 20℃.While to the removal percentage of DO,it reached 90.0%by optimal processing,the ratio of activated carbon to brewery wastewater(p H=8)was 1:10,time for adsorption was 20min at 20℃.

activated carbon of thin walnut shell;beer industry;Wastewater treatment;COD;DO

TQ085 < class="emphasis_bold">文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

A

2010-06-20

新疆兵團(tuán)工業(yè)科技計劃項(xiàng)目(2007GX13)

劉婭(1974-),女,副教授,從事農(nóng)產(chǎn)品貯藏與加工研究。