大麻生物脫膠污水成分分析及處理的初步研究

曹軍衛(wèi), 朱莎莉, 彭 攀, 馬少郎, 李強(qiáng)強(qiáng)

(武漢東湖學(xué)院 生命科學(xué)與化學(xué)學(xué)院，武漢 430212)

大麻生物脫膠污水成分分析及處理的初步研究

曹軍衛(wèi), 朱莎莉, 彭 攀, 馬少郎, 李強(qiáng)強(qiáng)

(武漢東湖學(xué)院 生命科學(xué)與化學(xué)學(xué)院，武漢 430212)

本課題組采用自主分離篩選的微生物進(jìn)行大麻的生物脫膠。對其生物脫膠污水分析表明，生物脫膠混合污水呈深褐色，pH為9，化學(xué)需氧量(CODcr)為13693.57 mg/L，懸浮顆粒物(SS)為1600 mg/L，總氮濃度為2.31%。采用化學(xué)、生化處理工藝對高濃度的大麻脫膠污水進(jìn)行了初步的處理研究，處理的主要步驟為絮凝沉淀—好氧活性污泥處理。經(jīng)過絮凝沉淀處理，污水的CODcr值降到7099.20 mg/L，CODcr值去除率達(dá)到48.16%。活性污泥好氧處理后，污水CODcr值進(jìn)一步降低到了4517.20 mg/L，去除率為36.37 %。僅通過兩步處理，使污水的CODcr值共降低67.01%。

生物脫膠污水；化學(xué)需氧量；絮凝沉淀法；活性污泥法

大麻是一年生植物，種植收獲期較短，在種植期間也無需噴灑殺蟲劑和施肥，所以是一種非常好的生態(tài)紡織原料。與其他紡織原料相比，以大麻作為原料的紡織品，具有挺直平整、抗菌防臭、吸濕透氣等優(yōu)點(diǎn)。并且大麻紡織品還能有效的阻隔紫外線，有抗高溫，以及消音吸波的獨(dú)特性能[1-3]。目前國內(nèi)工廠在大麻化學(xué)脫膠生產(chǎn)過程中排放的污水包括浸酸污水、酸洗污水、煮煉污水、漂洗污水和拷麻污水[2，3]。其污水往往都具有色度深、有機(jī)物濃度高、堿性強(qiáng)、水質(zhì)波動(dòng)大、CODcr濃度高等特點(diǎn)。并且其BOD/COD<0.3，屬于難處理的高CODcr值、高堿性的有機(jī)污水。因而處理非常困難，對環(huán)境造成嚴(yán)重污染，所以各地政府從為保護(hù)環(huán)境角度出發(fā)，對這一類工廠廢水排放、工廠擴(kuò)建、新廠房建設(shè)等項(xiàng)目采取非常嚴(yán)格限制措施，從而阻礙了大麻產(chǎn)品的發(fā)展和應(yīng)用[4-10]。

本課題組采用自主分離篩選的微生物進(jìn)行大麻生物脫膠，可以顯著降低脫膠污水的處理難度與處理成本。本研究的目的是對大麻生物脫膠污水的各項(xiàng)主要污水指標(biāo)進(jìn)行分析，并對其進(jìn)行了初步的污水處理研究。

1 材料與方法

1.1 材料

采用嗜堿芽孢桿菌NTT33進(jìn)行大麻生物脫膠獲得生物脫膠污水，生物脫膠后的大麻纖維再通過化學(xué)補(bǔ)充脫膠獲得化學(xué)補(bǔ)充脫膠污水。

1.2 方法

1.2.1 污水中懸浮物(SS)測定

懸浮物系指污水中的固體物質(zhì)。測定的方法是將污水水樣通過濾紙過濾后，并于103-105℃烘至恒重，將所稱重量減去濾紙重量，即為懸浮固體。

按式(1)計(jì)算污水中懸浮物濃度：

SS(mg/L)=[(B-A)×1000×1000]/V

(1)

式中：A—濾紙重(g)；

B—懸浮固體+濾紙重(g)；

V—水樣體積(mL)。

1.2.2 CODcr值測定

采用重鉻酸鉀法測定CODcr值[5]。

(1)硫酸亞鐵銨溶液的標(biāo)定：吸取10.00ml重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液加水稀釋至110mL左右，加入30ml濃硫酸，混勻。冷卻后，加入3滴試亞鐵靈指示劑(約0．15mL)，用硫酸亞鐵銨溶液滴定，溶液的顏色由黃色經(jīng)藍(lán)綠色至紅褐色即為終點(diǎn)，記錄所消耗硫酸亞鐵銨的量V。

(2) 取適當(dāng)稀釋的污水20mL，加入約0.4g硫酸汞(去除氯離子的干擾)，加入10.00mL重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液及數(shù)粒玻璃珠或沸石，加入30mL硫酸—硫酸銀溶液，混勻，連接磨口冷凝管，加熱至沸騰回流2h。取另20.00mL蒸餾水，記為D，按照同樣的操作步驟操作，做空白實(shí)驗(yàn)。記錄滴定空白時(shí)硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液的用量V0。

(3)待溶液再度冷卻后，滴加2至3滴試亞鐵靈指示劑，用硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，溶液由黃色經(jīng)藍(lán)綠色至紅褐色即為終點(diǎn)，記錄硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液的用量V1。

按式(2)計(jì)算CODcr濃度：

CODCr(O2mg/L)=(V0-V1)×C×8×1000×d/V

(2)

式中，V0—滴定空白時(shí)硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液的用量，mL；

C—硫酸液鐵案標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度；

8—1/2氧的摩爾質(zhì)量，g/mol；

V—水樣的體積；

d—稀釋倍數(shù)。

1.2.3 污水pH值測定

用pH試紙測定污水的pH值[11]。

1.2.4 污水總氮的測量

在木材工業(yè)中，人們對狀態(tài)監(jiān)測和預(yù)見性維護(hù)等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景非常感興趣，并以此作為進(jìn)一步提高生產(chǎn)設(shè)備效率的手段。在這些場景下，人類仍然是生產(chǎn)過程中不可分割的一部分，并以信息物理援助系統(tǒng)(例如，協(xié)作機(jī)器人、自動(dòng)導(dǎo)向車和智能工人支持技術(shù))作為輔助。因此，人機(jī)混合制造系統(tǒng)是一個(gè)發(fā)展趨勢。在明年的漢諾威國際林業(yè)木工展覽會(huì)上，觀眾將會(huì)對家具和木工行業(yè)的未來有一個(gè)深刻的見解。

采用凱氏定氮法測定[12]，按式(3)計(jì)算總氮百分率。

樣品含氮量(%)=(A-B)×M×14.008×100/C×10-3×100%

(3)

式中，A—滴定樣品用去的HCl液mL數(shù)；

B—滴定空白用去的標(biāo)準(zhǔn)鹽酸液mL數(shù)；

C—相當(dāng)于未稀釋樣品的mL數(shù)；

M—滴定所用鹽酸的摩爾濃度；

14.008—氮的原子量。

1.2.5 化學(xué)絮凝法處理

本研究選擇濃硫酸作為絮凝劑。取混合大麻脫膠污水加入濃硫酸后攪拌均勻后，靜置，使絮凝物自然沉淀，記錄水力停留時(shí)間(HRT, h)。取上清液，測定污水的CODcr值。

1.2.6 活性污泥法處理

大麻脫膠污水經(jīng)過絮凝處理后，過濾取上清液，加入活性污泥(取自學(xué)校污水處理廠生化處理池中的活性污泥)，恒溫振蕩培養(yǎng)，不同時(shí)間取樣測定CODcr值。

2 結(jié)果與討論

2.1 各類大麻脫膠污水指標(biāo)分析

2.1.1 污水懸浮物濃度測定

按照“材料與方法”所述，分別測定生物脫膠污水、化學(xué)補(bǔ)充脫膠污水和混合污水(生物脫膠污水與化學(xué)補(bǔ)充脫膠污水的混合液)的懸浮物濃度，結(jié)果如表1所示。

表1 大麻脫膠污水懸浮物濃度

表1可見，生物脫膠的大麻脫膠污水SS為1400mg/L，化學(xué)補(bǔ)充脫膠的大麻脫膠污水SS為2000mg/L,混合大麻脫膠污水SS為1600mg/L。大麻脫膠污水中的懸浮物濃度較高，有機(jī)物含量高，對環(huán)境污染大。

2.1.2 污水pH值和CODcr值測定

分別測定了空白對照組、生物脫膠污水、化學(xué)補(bǔ)充脫膠污水和混合污水的pH值和CODcr值，表2所示。

表2 各種大麻脫膠污水CODcr值

表2顯示，未經(jīng)處理的各類污水pH值均為9，表明采用生物脫膠法產(chǎn)生的污水，堿性較弱，在國家污水排放許可范圍內(nèi)，可以不必重點(diǎn)考慮其處理。所測的各種大麻脫膠污水的CODcr值都較高，其中混合污水的CODcr為13693.57 mg/L，濃度很高。

2.1.3 污水總氮的測量

取生物脫膠污水、化學(xué)補(bǔ)充脫膠污水和生物、化學(xué)聯(lián)合脫膠法處理的污水，采用凱氏定氮法測定污水的總氮量，按式(3)計(jì)算總氮含量(表3)。測得生物脫膠法、化學(xué)脫膠法和生化混合脫膠法的總氮分別為5.06、1.37和2.31%。

表3 三種污水的總氮測量結(jié)果

2.2 污水處理方法研究

2.2.1 絮凝法處理

本研究以混合污水為樣本，采用包括絮凝處理和好氧生化處理兩個(gè)步驟來處理。

絮凝法處理采用的是硫酸，在混合污水中加入不同量的濃硫酸，調(diào)節(jié)pH值。通過測定其CODcr值，比較處理效果(表4)[4-11]。

從表4可見，經(jīng)過用硫酸調(diào)節(jié)污水至不同pH值的絮凝處理后，水力停留時(shí)間基本相同。pH值為4時(shí)，污水的CODcr值由13693.57 mg/L降到7099.20mg/L，處理效果最好。此水力停留時(shí)間可以作為污水處理設(shè)備的設(shè)計(jì)的依據(jù)。

表4 不同pH條件的絮凝效果比較

之所以使用濃硫酸作為絮凝劑來處理大麻生物脫膠混合污水，是因?yàn)橥ㄟ^測定污水總氮含量，證明此污水中含有大量的蛋白質(zhì)類物質(zhì)，而大多數(shù)蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)為偏酸性，加入濃硫酸后，可使污水處于大多數(shù)蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)范圍內(nèi)，蛋白質(zhì)會(huì)發(fā)生不可逆變性失活，有利于蛋白質(zhì)成分的絮凝沉淀[13]。

2.2.2 好氧處理

好氧處理工藝中使用活性污泥法處理大麻生物脫膠污水。于污水處理廠中獲得的活性污泥，加入到已經(jīng)通過絮凝預(yù)處理過的污水上清液中，振蕩培養(yǎng)，分別于2、4、6h取樣，測定污水上清液的CODcr值，結(jié)果如表5所示。

表5 好氧處理后大麻脫膠污水CODcr值

由表5可以看出，加入活性污泥振蕩培養(yǎng)后，大麻脫膠污水的CODcr值進(jìn)一步降低，在所選擇的時(shí)間范圍內(nèi)，活性污泥振蕩處理時(shí)間的不同對其CODcr值的影響不大，所以處理2h可做為設(shè)備設(shè)計(jì)的依據(jù)。

2.3 CODcr值去除率

污水處理過程中CODcr的去除率是衡量處理工藝的重要指標(biāo)。本研究中，處理工藝各階段的CODcr去除率如表6所示。

表6 CODcr去除率

從表6可見，預(yù)處理CODcr去除率為48.16%，好氧處理后CODcr去除率為36.37%，污水CODcr降低較顯著，表明生物脫膠污水可生化處理性質(zhì)明顯。此結(jié)果對進(jìn)一步污水處理后到達(dá)國家一級污水排放標(biāo)準(zhǔn)，提供了依據(jù)。

本研究通過預(yù)處理—好氧生化處理的處理工藝方法對高CODcr值、高色度以及有機(jī)物含量高的大麻生物脫膠污水進(jìn)行了初步的處理研究。預(yù)處理過程中使用濃硫酸作為絮凝劑還因?yàn)榱蛩岬某杀据^低，有利于本研究成果的實(shí)際推廣應(yīng)用。此處理方法在促使蛋白質(zhì)類物質(zhì)沉淀的同時(shí)，還能有效地降低大麻脫膠污水CODcr以及色度[13]。

活性污泥處理法主要包括了吸附、微生物的代謝、絮凝沉淀三個(gè)階段。絮凝法處理后，再通過生化處理工藝，可以使大麻脫膠污水的CODcr進(jìn)一步降低[14]。

通過本研究方法，僅僅兩步處理，便可使CODcr值去除率達(dá)到67.01%，表明與化學(xué)脫膠工藝相比，大麻生物脫膠污水的生化可處理性大大提高，其BOD/COD>0.7。這對脫膠工藝的改造非常有利。本實(shí)驗(yàn)方案經(jīng)過進(jìn)一步改進(jìn)后，完全可以使處理后的大麻脫膠污水水質(zhì)達(dá)到國家一級排放標(biāo)準(zhǔn)。

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Analysis of the Biological Degumming Wastewater Composition of Hemp and Study of Wastewater Treatment Methods

CAO Jun-wei， ZHU Sha-li， PENG Pan， MA Shao-lang， LI Qiang-qiang

(School of Life science and Chemistry, Wuhan Donghu University, Wuhan 430212, China)

The independent separation and screening of microorganisms was used in the biological degumming of hemp.The analysis of biological degumming wastewater shows that the wastewater was dark brown, pH of 9, chemical oxygen demand (CODcr) 13693.57 mg/L, and suspended particulate matter (SS) for total nitrogen 1600 mg/L, concentration of 2.31%, respectively. The chemical and biochemical treatment process of high concentration of degumming wastewater of hemp were studied. The main processing process includes the flocculation precipitation and aerobic activated sludge process. After flocculation precipitation treatment, CODcr value of wastewater was dropped to 7099.20 mg/L, and CODcr removal rate reached 48.16%. After activated sludge aerobic treatment,CODcr values of wastewater further was down to 4517.20 mg/L, removal rate of 36.37%. Only by two-step process, the CODcr values of sewage were reduced by 67.01%.

wastewater; CODcr values; flocculation and precipitation; activated sludge process

2017-01-05

湖北省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃資助項(xiàng)目(2014B272)；湖北省高等學(xué)校優(yōu)秀中青年科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃資助項(xiàng)目(T201428)；湖北省普通高等學(xué)?！皯?zhàn)略性新興(支柱)產(chǎn)業(yè)人才培養(yǎng)計(jì)劃本科”資助項(xiàng)目[湖北省教育廳鄂教高〔2013〕11號]；省教育廳、省財(cái)政廳“生物技術(shù)專業(yè)綜合改革”試點(diǎn)資助項(xiàng)目[鄂教高辦〔2014〕6號]

曹軍衛(wèi)(1951-)，女，湖北武漢人，教授，研究方向?yàn)槲⑸飳W(xué)。

Q946

A

1674-344X(2017)2-0007-04