再造煙葉污水特性及處置分析

劉大慶，彭麗娟,和玉鳳，劉恩芬**，段建名，趙建華，王驍清,王 瓊

(1.云南中煙再造煙葉有限責(zé)任公司，云南 昆明 650001； 2.云南煙草質(zhì)量監(jiān)督檢測站，云南 昆明 650001；3. 云南聯(lián)大科技產(chǎn)業(yè)有限責(zé)任公司，云南 昆明 650500)

造紙法再造煙葉生產(chǎn)過程中的污水,是一種特殊的造紙廢水。目前，造紙法再造煙葉污水來源有：葉線、梗線沉降排放液，設(shè)備清洗排放液，抄造外排濃白水，外排梗、葉提取液和蒸發(fā)冷凝水外排液等[1-4]。造紙法再造煙葉污水特點(diǎn)為：廢水排放量大、色度高、化學(xué)需氧量高、廢水中纖維懸浮物多。目前，國外對(duì)造紙法再造煙葉污水只是簡單回收纖維后，排入市政污水管網(wǎng)，由大型污水處理廠集中處理；而國內(nèi)各地區(qū)的污水集中處理設(shè)施還不完善，更多采取自行處理的方式[5]。目前，國內(nèi)應(yīng)用于造紙法再造煙葉生產(chǎn)污水處理的方法可歸納為物理法、化學(xué)法和生物法[6]。其中,物理法常作為一種預(yù)處理的手段應(yīng)用于污水處理；化學(xué)法是指向污水中加入化學(xué)藥劑，使其與污水中的污染物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生成無害物的過程，這種方法也常常作為預(yù)處理方法使用；生物法是利用微生物降解代謝有機(jī)物為無機(jī)物來處理廢水，通過人為的創(chuàng)造適于微生物生存和繁殖的環(huán)境，使之大量繁殖，以提高其氧化分解有機(jī)物的效率，目前廣泛應(yīng)用的是好氧法和厭氧法[7]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑及儀器

與GC-MS檢測相關(guān)的試劑為色譜純，其他溶劑和試劑均為分析純。

儀器包括：pH計(jì) (FE20, Mettler Toledo), PCR儀 (PCT-0220, Bio-rad)，超純水儀 (CASCADA LS MK2, Pall)，電導(dǎo)率儀 (FE30, Mettler Toledo)，電子天平 (PL3002, Mettler Toledo)，超低溫冰箱 (DW-86L828, 海爾)，分光光度計(jì) (UV-1800, Shimadzu), COD消解器 (DRB200, HACH), 水質(zhì)分析儀 (DR1900, HACH), BOD生化需氧量分析儀(TRAK II, HACH), 微量離心機(jī) (SORVALL Legend Micro 17, Thermo), 凝膠成像儀 (170-8170, Bio-rad), X射線熒光光譜儀 (PW4400/40, PANalytical B.V.)，變性梯度凝膠電泳 (DCodeTM System, Bio-rad)，GC-MS(GCMS-QP2020)。

廢水及煙梗提取物，均來自云南中煙再造煙葉生產(chǎn)線。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

1.2.1 廢水水質(zhì)檢測方法

廢水水質(zhì)指標(biāo)：COD、BOD5、pH及氨氮，分別按國家標(biāo)準(zhǔn)GB 11914—1989 重鉻酸鉀法、GB 7488—1987 稀釋與接種法、GB 6920—1986玻璃電極法、GB 6920—1986稀釋倍數(shù)法、GB 11901—1989重量法和GB11901—1989納氏試劑比色法進(jìn)行測定；致香成份分析按GC-MS實(shí)驗(yàn)室方法。

1.2.2 廢水檢測

1)高濃度廢水

高濃度廢水是指再造煙葉生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的含有大量煙草有機(jī)物的外排廢水，它來源于梗原料提取后不能完全用于涂布液而產(chǎn)生的富余梗提取液的外排，以及梗、葉提取液在濃縮前通過沉降凈化處理的廢液外排，主要來源于再造煙葉生產(chǎn)過程的提取段。

高濃度廢水富含大量的蛋白質(zhì)、糖分、色素及少量的總植物煙堿等煙草有機(jī)物，因而這部分廢液表現(xiàn)出較高的化學(xué)需氧量(CODcr)和色度。高濃度廢水具有排放不規(guī)律、排放水量較小、污染物CODcr指標(biāo)排放量較高、色度高、溫度高等特點(diǎn)，因此處理好高濃度廢水是處理再造煙葉生產(chǎn)廢水的核心[8]。

高濃度廢水有機(jī)成份分析結(jié)果見表1。

表1 高濃度廢水有機(jī)成份分析結(jié)果

高濃度廢水水質(zhì)分析結(jié)果見表2。

表2 高濃廢水水質(zhì)分析結(jié)果

2)中低濃度廢水

中低濃度廢水主要來源是片基抄造過程中產(chǎn)生的濃白水外排,以及工藝過程中外排的廢水，包括提取液濃縮蒸發(fā)產(chǎn)生的冷凝水和清洗過程產(chǎn)生的廢水。

中低濃度廢水也稱綜合廢水，具有連續(xù)排放、排放水量較大等特點(diǎn)，抄造段廢水的各項(xiàng)水質(zhì)污染物指標(biāo)均較提取段低, 這主要是由于煙葉和煙梗中的可溶性成分大部分都已在提取工藝段進(jìn)入提取液,此工藝段的物料( 主要為漿料形態(tài)) 只有少部分可溶性 COD 可進(jìn)入抄造廢水，有機(jī)物含量較少，它的懸浮物主要是由漿料抄造成型過程中大量短纖維流失造成, 即廢水含有大量的細(xì)短纖維。生產(chǎn)中處理中低濃度廢水是污水處理過程的重點(diǎn)。

中低濃度廢水水質(zhì)分析結(jié)果見表3。

表3 中低濃度廢水水質(zhì)分析結(jié)果

1.2.3 廢水處置

1)高濃度廢水處置

生產(chǎn)線中，高濃度廢水是經(jīng)過一定壓力和溫度下在線濃縮，濃縮成密度大約為 1.18 g/cm3液體，外運(yùn)作為液體有機(jī)肥處置。

2)中、低濃度廢水處置

目前生產(chǎn)工中，廢水處理采用了“物化預(yù)處理+厭氧生化處理+好氧生化處理+化學(xué)深度處理”的工藝，物化預(yù)處理主要是厭氧的初級(jí)處理過程，在預(yù)酸化池中自動(dòng)計(jì)量投加生化反應(yīng)所需要的營養(yǎng)鹽，包括氮和磷[9]，但對(duì)COD的降解貢獻(xiàn)不是太大。接下來在厭氧生化處理中，主要是將生物可降解性COD轉(zhuǎn)化成了沼氣，整個(gè)生物厭氧反應(yīng)過程可描述為：

COD→CH4↑+ CO2↑+新生厭氧污泥

廢水通過厭氧處理后經(jīng)外循環(huán)罐進(jìn)入后續(xù)的活性污泥處理系統(tǒng)。好氧處理的主要目的是將可生物降解的COD轉(zhuǎn)化為CO2和H2O。在活性污泥系統(tǒng)發(fā)生的整個(gè)生物反應(yīng)可用下式描述:

COD+O2→CO2↑+H2O+新好氧污泥

由于此廢水中含有木質(zhì)素、腐殖酸等不可生物降解COD，經(jīng)過以上步驟處理過的水很難達(dá)到COD<100 mg/L 的要求。實(shí)際工作中要選定在廢水中添加適量的混凝劑并結(jié)合氣浮進(jìn)行除纖,除去不可生物降解的COD，以達(dá)到出水標(biāo)準(zhǔn)。在這個(gè)過中混凝劑品種的選取對(duì)生產(chǎn)實(shí)際的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性相當(dāng)重要。

2 廢水處理結(jié)果與討論

廢水處理水質(zhì)分析結(jié)果及達(dá)標(biāo)情況如表4所示。

表4 廢水處理水質(zhì)分析結(jié)果及達(dá)標(biāo)情況

2.1 國內(nèi)外企業(yè)廢棄物處置方式對(duì)比

經(jīng)過全面的市場調(diào)研，對(duì)國內(nèi)外再造煙葉廢水處理情況匯總?cè)绫?所示。

表5 國內(nèi)外企業(yè)生產(chǎn)廢棄物處置工藝對(duì)比

目前對(duì)中低濃度廢水(如：抄造濃白水)的生化處理工藝研究相對(duì)成熟，實(shí)際運(yùn)行處理后基本能夠達(dá)到現(xiàn)行的污水排放標(biāo)準(zhǔn)，在處理過程中有一定的優(yōu)化空間。但對(duì)于高濃度廢水，目前還沒有一種更為經(jīng)濟(jì)有效的處理工藝。

2.2 解決再造煙葉廢水處理新思路

2.2.1 高濃度廢水處理方面創(chuàng)新

高濃度廢水主要是煙草梗原料提取液的部分廢棄，在這些液體中，有較多的可再生利用的煙草資源。例如，通過一定的途徑制成固體香精，這種煙草固體香精用于夾層薄片、新型煙草和再造煙葉涂布液添加劑。因?yàn)檫@種固體香精保存了煙草自身的一些內(nèi)在主要化學(xué)成份和香料特征，這對(duì)于提高煙草廢棄原料的二次利用是一個(gè)較大的創(chuàng)新工作。表6為廢棄煙梗提取液制成固體香精的主要致香成份分析情況。

由表6中看出，煙草中代表性致香成分是：糠醛，苯乙醛，茄酮，巨豆三烯酮A、B、C、D和新植二稀等成份[10]。濃縮梗膏和凍干是有很大差異的，凍干在致香總量和主要致香物質(zhì)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過梗膏濃縮液。我國目前煙草廢棄物的低價(jià)值利用，不僅對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重污染，也使大量的生物資源嚴(yán)重浪費(fèi)。從資源學(xué)角度分析，煙草廢棄物，利用高新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)其價(jià)值，將產(chǎn)生較高的經(jīng)濟(jì)效益。通過科技成果的產(chǎn)業(yè)化解決造紙法再造煙葉產(chǎn)生的環(huán)境問題，促進(jìn)煙草行業(yè)的環(huán)境與經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，達(dá)到煙草行業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的雙贏[11]。

表6 梗膏凍干、濃縮梗膏主要致香成份表

表6(續(xù))

2.2.2 中低濃廢水方面創(chuàng)新

中低濃水在處理過程中有較為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。為了大幅度降低COD量，混合絮凝劑的加入很重要，但不同類型絮凝劑的加入，沉降效果也會(huì)有明顯的差異。因?yàn)檫@些廢水同時(shí)含有陰陽離子垃極，所以在配制絮凝劑時(shí)，結(jié)合陰陽離子垃極情況研發(fā)結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際的絮凝效果的化合物。取同樣量的污水，同時(shí)加入 30 mL 的絮凝劑，圖1為兩種絮凝劑在污泥池污水中的應(yīng)用效果。

圖1 不同絮凝劑及用量實(shí)驗(yàn)效果圖

在圖1中，標(biāo)號(hào)1為聚丙稀酰+陰離子高分子化合物(比例1∶1，混合溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)3‰)，用量 30 mL，濁度 493 NTU；標(biāo)號(hào)2為聚丙稀酰(溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)3‰)，用量 30 mL ，濁度 525 NTU；標(biāo)號(hào)3為聚丙稀酰(溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)5‰)，用量 30 mL，濁度 590 NTU；標(biāo)號(hào)4為聚丙稀酰(溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)10‰)，用量 30 mL，濁度 750 NTU；標(biāo)號(hào)5為聚丙稀酰+陰離子高分子化合物(比例1∶2，混合溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)3‰)，濁度 493 NTU。

分析：絮凝劑的用量過少，雜質(zhì)沉淀不完全；加入量過大，則污水黏度增加，增大沉降阻力，影響沉降效果。絮凝效果的較佳用量幅度很小，超過一定范圍，反而會(huì)形成復(fù)穩(wěn)。不同的高分子聚合物對(duì)不同的水質(zhì)處理效果相差很大，綜合考慮這些因素對(duì)沉降的效果和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，否則會(huì)給企業(yè)成本造成一定的浪費(fèi)，也會(huì)給后序污水處理系統(tǒng)帶來一定的壓力。

3 結(jié)語

隨著污水國家排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，以及國內(nèi)對(duì)企業(yè)節(jié)能減排工作和清潔生產(chǎn)的重視日益提高，煙草行業(yè)對(duì)再造煙葉的發(fā)展和規(guī)劃也不斷提出更高的要求。同時(shí)隨著再造煙葉產(chǎn)能的不斷提升，生產(chǎn)廢棄物的數(shù)量及處理負(fù)荷也越來越大。面對(duì)全球資源日趨緊缺的狀況，必須對(duì)再造煙葉生產(chǎn)廢棄物的認(rèn)識(shí)和定義進(jìn)行重新界定，從作為廢棄物進(jìn)行消極處理排放的傳統(tǒng)定義，轉(zhuǎn)變?yōu)榘褟U棄物作為一種資源進(jìn)行積極處理后再次利用的全新定義。