不同工藝的廢水厭氧消化產沼氣探析范文

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摘要:文章采用厭氧消化對苧麻廢水進行產沼氣研究，比較生物酶浸泡廢水、燒堿煮煉廢水、煮煉后清洗廢水3種不同性質的苧麻廢水在產沼氣規律和能力方面的差異。結果表明，生物酶浸泡廢水產氣時間最長，可達4天，其余兩種廢水僅為3天，且生物酶浸泡廢水產氣率最高，原料產沼氣潛力為1．13mL•mL－1廢水，原料產甲烷潛力為0．49mL•mL－1廢水;其COD和BOD5降解率最高，分別為76．3%和82%;其COD產氣率和產甲烷率也最高，分別為169．1mL•g－1和56.9mL•g－1。煮煉后清洗廢水的BOD5產氣率和產甲烷率最高，分別為530．4mL•g－1和56.9mL•g－1。3種廢水都可通過厭氧消化去除大部分有機物，減輕后續處理壓力，并且生物酶浸泡廢水產氣率最高，可用于生產沼氣，為苧麻加工提供綠色能源。

關鍵詞:苧麻廢水;厭氧消化;產氣率;降解率

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1t原麻用水500噸，COD產生量5000kg［1－5］。根據理論推算，1kgCOD通過厭氧消化可產生0．35m3甲烷，則每加工1t原麻，產生的廢水可生成1750m3甲烷，相當于70GJ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。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。

1．2實驗裝置實驗裝置見圖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℃。

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12h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30mL•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。

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80mL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170mL左右，原料產沼氣潛力為1．13mL•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33mL左右(見圖6)，累積產甲烷量在第4天產氣停止后達73mL左右(見圖7)，可得原料產甲烷潛力為0．49mL•mL－1廢水。從表4可知，經過4d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394．9mL•g－1，產甲烷率也超過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35mL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45mL左右，原料產沼氣潛力為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13mL(見圖12)，累積產甲烷量在第3天產氣停止后達15mL左右(見圖13)，可得原料產甲烷潛力僅為0．1mL•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。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25mL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30mL左右，原料產沼氣潛力為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6mL左右(見圖18)，累積產甲烷量在第3天產氣停止后達8mL左右(見圖19)，可得原料產甲烷潛力僅為0．05mL•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。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530．4mL•g－1，BOD5的產甲烷率也超過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。

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。

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作者：蔣勇 郭清吉 蔣小鈺 褚衍生 單位：四川發展中恒能環境科技有限公司