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皂素生產(chǎn)中廢水處理技術(shù)的研究進(jìn)展

2012-04-29 00:44:03宋鳳敏
湖北農(nóng)業(yè)科學(xué) 2012年14期
關(guān)鍵詞:清潔生產(chǎn)資源化利用去除率

摘要:分析了皂素生產(chǎn)中廢水的污染現(xiàn)狀及污染特點(diǎn),對(duì)皂素廢水的預(yù)處理、生化處理、深度處理以及皂素的清潔生產(chǎn)和廢棄物資源化利用幾個(gè)方面的技術(shù)進(jìn)行分析比較,得出皂素生產(chǎn)中廢水處理技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)以及廢水處理仍面臨的問(wèn)題,提出了合理的建議。

關(guān)鍵詞:皂素生產(chǎn);廢水處理技術(shù);COD去除率;資源化利用;清潔生產(chǎn)

中圖分類(lèi)號(hào):X703文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):0439-8114(2012)14-2908-06

Research Progress on Treatment Technology of Wastewater from Diosgenin Production

SONG Feng-min

(School of Chemistry and Environmental Science,Shaanxi University of Technology,Hanzhong 723001,Shaanxi,China)

Abstract: The current situation and characteristics of diosgenin wastewater pollution were analyzed.The treatment technology of diosgenin wastewater was compared from the aspects of pretreatment, biochemical treatment and deep treatment.The process of clean production of diosgenin and resource utilization for the waste from diosgenin production were reviewed.The result showed the development trend of treatment technology of diosgenin wastewater and the facing problems. The reasonable suggestions were gave.

Key words: diosgenin production; treatment technology of wastewater; the COD removal rate; resource utilization; clean production

皂素又名皂甙元,是生產(chǎn)甾體激素類(lèi)藥物的基礎(chǔ)原料。甾體激素類(lèi)藥物是世界上僅次于抗生素類(lèi)的第二大類(lèi)藥物,具有很強(qiáng)的抗感染、抗過(guò)敏、抗病毒和抗休克的藥性[1,2],該類(lèi)藥物臨床應(yīng)用廣泛,需求旺盛。目前主要從一些植物中提取皂素來(lái)生產(chǎn)甾體激素類(lèi)藥物,故植物皂素有“激素之母”的稱(chēng)謂。植物皂素主要有三大類(lèi)即薯蕷皂素、劍麻皂素、番麻皂素,其中薯蕷皂素是生產(chǎn)甾體激素藥物最理想的基礎(chǔ)原料,世界上2/3以上的甾體激素藥物是以薯蕷皂素作基礎(chǔ)原料生產(chǎn)的,所以薯蕷皂素在甾體激素藥物生產(chǎn)中占有十分重要的地位。世界上薯蕷皂素含量較高的植物資源不多,主要分布在中國(guó)和墨西哥,所以我國(guó)和墨西哥是薯蕷皂素生產(chǎn)大國(guó)[3,4]。

我國(guó)自20世紀(jì)50年代末開(kāi)始利用野生黃姜、穿地龍生產(chǎn)薯蕷皂素的甾體激素類(lèi)藥物,但在70年代前,我國(guó)甾體激素類(lèi)藥物主要依賴(lài)進(jìn)口。80年代以后,我國(guó)皂素工業(yè)發(fā)展較快,產(chǎn)品不僅能滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)需要,而且還出口到美、德、法、日等120多個(gè)國(guó)家和地區(qū)。生產(chǎn)薯蕷皂素的原料黃姜、穿地龍?jiān)谖覈?guó)西南地區(qū)盛產(chǎn),尤其以秦嶺南麓漢水以北及武當(dāng)山系最適合黃姜生長(zhǎng),該地區(qū)所產(chǎn)黃姜皂素含量高、熔點(diǎn)好,符合生物醫(yī)藥工業(yè)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。這些地區(qū)皂素生產(chǎn)企業(yè)發(fā)展迅速,全國(guó)200多家皂素生產(chǎn)企業(yè),80%以上集中在這些黃姜主產(chǎn)地,皂素生產(chǎn)成為當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)。但在初期的發(fā)展階段大部分企業(yè)的配套設(shè)施不完善,治污能力弱,使得皂素生產(chǎn)對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重污染,到2000年左右已引起了國(guó)家環(huán)保部門(mén)的高度重視,國(guó)家相繼出臺(tái)了相應(yīng)的法規(guī)對(duì)企業(yè)的治污排污提出了嚴(yán)格要求,污染問(wèn)題成了制約皂素生產(chǎn)企業(yè)健康發(fā)展的瓶頸。由此對(duì)于皂素生產(chǎn)中廢水處理的研究也相應(yīng)得到發(fā)展并不斷地深入,以期找到更適用更經(jīng)濟(jì)的方法使得皂素生產(chǎn)與環(huán)境保護(hù)相協(xié)調(diào),達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)、生態(tài)效益均豐收的可持續(xù)發(fā)展。經(jīng)過(guò)10多年的研究實(shí)踐,皂素生產(chǎn)中廢水的處理技術(shù)及應(yīng)用均取得一定的成效,在企業(yè)發(fā)展的同時(shí),當(dāng)?shù)丨h(huán)境也得到一定的改善。本文從皂素生產(chǎn)中廢水的來(lái)源特性出發(fā)分析廢水處理每個(gè)階段的技術(shù)方法、特點(diǎn)及適用性,提出皂素生產(chǎn)企業(yè)發(fā)展的合理建議。

1 皂素生產(chǎn)中廢水的產(chǎn)生及特點(diǎn)

1.1皂素生產(chǎn)中廢水的產(chǎn)生

薯蕷皂素的加工提取有許多種方法,近年也發(fā)展了新的方法,但是目前一般的皂素生產(chǎn)廠家基本上還是采用硫酸或鹽酸對(duì)黃姜、穿地龍進(jìn)行酸解,再油劑提取皂素。其傳統(tǒng)的基本工藝流程如圖1[5]。黃姜生產(chǎn)皂素工藝流程中,產(chǎn)生污水的生產(chǎn)環(huán)節(jié)主要為酸水解、過(guò)濾后以及中和、洗滌后,產(chǎn)生污水量約400~500 m3/t產(chǎn)品。

1.2皂素生產(chǎn)中廢水的特點(diǎn)

由于皂素生產(chǎn)中產(chǎn)生污水的環(huán)節(jié)主要是酸水解,過(guò)濾后的皂素廢水的酸度很大,一般pH都在1.0左右,從黃姜中提取了皂素后,黃姜本身含有的淀粉、水溶性皂甙、黃姜色素、黃姜油等有機(jī)成分一并進(jìn)入廢水,使得廢水有機(jī)物含量很高,且顏色很深。皂素廢水具有以下特點(diǎn)[6]:①可生化性差。BOD∶COD約0.27;②糖分含量高:綜合廢水總糖含量約2%,其中大部分為單糖;③污染負(fù)荷重。CODCr高達(dá)20 000~30 000 mg/L(綜合廢水),其中頭道液(約占廢水量20%)COD高達(dá)90 000~110 000 mg/L;④酸度高。pH值范圍為0.7~2.5;⑤鹽分高。在pH值1.0的廢水中,Cl-含量為9 600 mg/L(HCl水解工藝),SO42-含量為11 300 mg/L(H2SO4水解工藝);⑥色度高。色度可達(dá)到3 500倍。

2皂素生產(chǎn)中廢水的預(yù)處理

從皂素生產(chǎn)中廢水的特點(diǎn)可以看出皂素廢水酸度很大,有機(jī)物濃度高,但是其可生化性差BOD∶COD小于0.3,Cl-或SO42-離子濃度很高,這些特性給皂素廢水處理的主要工藝選擇帶來(lái)很大難度,因此就有學(xué)者專(zhuān)門(mén)研究了皂素廢水的預(yù)處理方法,不同的方法適合于不同的主要工藝,在降低廢水的酸度提高其可生化性上都有一定的效果,為后續(xù)的處理減輕一定負(fù)擔(dān)。目前對(duì)于皂素廢水的預(yù)處理技術(shù)主要有3個(gè)技術(shù)路線(xiàn),分別為化學(xué)中和、化學(xué)氧化絮凝和吸附法。

2.1化學(xué)中和法

化學(xué)酸堿中和在多數(shù)的處理工藝流程中應(yīng)用,由于廢水的酸度很大,一般企業(yè)廢水量也很大,從經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)都采用便宜的生石灰作為中和藥劑,生石灰的使用既能調(diào)節(jié)廢水的酸度,而且反應(yīng)生成的CaSO4在下沉的過(guò)程中可通過(guò)挾裹作用去除廢水中的部分SS和CODCr。

2.2化學(xué)氧化絮凝

對(duì)于皂素廢水的化學(xué)氧化絮凝預(yù)處理主要是以?xún)?nèi)電解形成絮凝劑和直接用化學(xué)絮凝劑兩類(lèi)技術(shù)。但錦鋒等[7]在2003年首先提出內(nèi)電解法預(yù)處理皂素廢水,將預(yù)處理過(guò)的鐵屑與活性炭作為混合填料在反應(yīng)器中處理原廢水,向內(nèi)電解出水中加堿后將生成Fe(OH)2,并被氧化成Fe(OH)3,因而不需再投加其他混凝劑,從而降低了處理成本,內(nèi)電解可去除30%的CODCr,并提高了廢水的可生化性。

徐朝暉等[8]提出將鐵碳內(nèi)電解與臭氧結(jié)合預(yù)處理皂素廢水,實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中由于內(nèi)電解過(guò)程產(chǎn)生了大量的Fe2+、Fe3+與臭氧氧化過(guò)程中產(chǎn)生的羥基自由基(HO·)和[O]組成了另外一種優(yōu)良的廢水處理試劑——Fenton試劑,在適宜條件下廢水CODCr去除率可達(dá)到48.6%、脫色率80%,使廢水的可生化性得到提高,且利用廢鐵屑制成了優(yōu)良的絮凝劑而處理皂素廢水。

柳婷等[9]提出利用鋅—銅內(nèi)電解反應(yīng)可以提高廢水的pH值,降低廢水的色度,提高廢水的可生化性,為黃姜皂素生產(chǎn)廢水的預(yù)處理開(kāi)辟了一條新途徑。當(dāng)廢水的CODCr去除率達(dá)到32.34%,色度去除率達(dá)到72.22%,廢水的BOD/COD值提高到0.5時(shí),為后續(xù)的生化處理創(chuàng)造了有利條件。

王西峰等[10,11]利用UV—Fenton氧化技術(shù)和超臨界氧化技術(shù)處理皂素廢水,在紫外光的照射下和高溫/高壓的作用下,有機(jī)物和氧化劑的反應(yīng)能力大大增強(qiáng),加快了有機(jī)物的降解,廢水CODCr和色度去除率比單用Fenton試劑處理的要高。

舒陳華[12,13]利用新型高分子無(wú)機(jī)絮凝劑含硼聚硅酸鹽(PASFB)預(yù)處理皂素廢水,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)PSAFB中硼、鋁及其水解產(chǎn)物、鐵及其水解產(chǎn)物、聚硅酸之間相互作用,形成了含B-O-Fe、B-O-Al、B-O-Si等鍵的螯合物對(duì)廢水中有機(jī)物網(wǎng)撲絮凝和吸附架橋作用能力大大增強(qiáng),經(jīng)預(yù)處理后的廢水CODCr的去除率在50%以上,減輕了后續(xù)處理的負(fù)擔(dān),為其達(dá)標(biāo)排放創(chuàng)造了條件。

2.3吸附法

吸附法皂素廢水處理工藝有用在預(yù)處理,也有用在后續(xù)的深度處理中。由于原廢水中含有黃姜色素類(lèi)有機(jī)物而使廢水的色度很大,通過(guò)吸附這樣一些有機(jī)小分子物質(zhì)不但可以使其色度降低,且對(duì)廢水中的有機(jī)物有一定的去除作用。

李澤唐等[14]用水葫蘆氣囊作為吸附材料對(duì)皂素廢水進(jìn)行吸附預(yù)處理,試驗(yàn)結(jié)果表明,經(jīng)水葫蘆氣囊吸附后的廢水中氯離子、色度、CODCr值均有不同程度降低,且廢水的pH值有所升高,廢水的可生化性明顯提高,用水葫蘆氣囊這種水體富營(yíng)養(yǎng)化產(chǎn)物用來(lái)預(yù)處理皂素廢水,可達(dá)到以廢治廢的目的。

單麗偉等[15]采用化學(xué)法合成的新生MnO2作為吸附劑對(duì)皂素廢水進(jìn)行處理,利用MnO2表面的羥基化配體與水的相互作用強(qiáng)烈吸附有機(jī)化合物,尤其是廢水中色素類(lèi)物質(zhì)能夠被吸附,所以通過(guò)新生MnO2預(yù)處理過(guò)的廢水色度去除率達(dá)80%以上,CODCr去除率在40%左右。

葛紅光等[16]研究通過(guò)活性炭吸附和雙氧水氧化的化學(xué)法預(yù)處理皂素廢水,使廢水的CODCr有大幅下降,廢水的可生化性得到了提高。

3皂素廢水的生化處理技術(shù)

皂素廢水這種高濃度有機(jī)廢水僅通過(guò)一般的物化處理方法很難使其達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn),而只有通過(guò)物化法預(yù)處理后再進(jìn)行生化處理方可達(dá)到相應(yīng)的排放標(biāo)準(zhǔn)。所以生化處理是皂素廢水處理的重要環(huán)節(jié),也是決定性的環(huán)節(jié),雖然也有報(bào)道完全用物化處理方法來(lái)處理皂素廢水并且試驗(yàn)結(jié)果還達(dá)到了一定的要求,例如楊志華等[17]在實(shí)驗(yàn)室用NF(納濾)和RO(反滲透)過(guò)濾處理皂素廢水,廢水CODCr去除率達(dá)90%,但是筆者認(rèn)為在實(shí)際的企業(yè)生產(chǎn)中廢水量是較大的,納濾和反滲透膜的費(fèi)用以及維護(hù)外加的動(dòng)力費(fèi)用會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于生化處理所需費(fèi)用,所以在實(shí)際生產(chǎn)中皂素廢水處理的主要工藝仍應(yīng)以生化工藝為主。

對(duì)于皂素廢水的生化處理工藝基本上是厭氧好氧工藝的組合。其中厭氧工藝以UASB工藝多用,好氧以普通活性污泥、生物接觸氧化、SBR等多用。另外用特定微生物固定化技術(shù)在適合的反應(yīng)器中處理皂素廢水也取得了一定的成效。

3.1厭氧好氧組合工藝對(duì)皂素廢水的處理

上流式厭氧污泥床(UASB)作為一種高效厭氧處理技術(shù),在高濃度有機(jī)廢水處理中得到廣泛的應(yīng)用。單麗偉等[18]在2003年進(jìn)行了UASB處理皂素廢水試驗(yàn),結(jié)果表明UASB工藝處理皂素廢水是可行的,當(dāng)進(jìn)入反應(yīng)器廢水CODCr在7 000 mg/L左右時(shí),廢水CODCr去除率達(dá)70%以上,產(chǎn)沼氣率為0.34 m3/kg。

張志揚(yáng)等[19]將UASB與生物接觸氧化結(jié)合處理皂素廢水,由于工藝采用厭氧好氧結(jié)合,進(jìn)入反應(yīng)器的廢水CODCr濃度高達(dá)24 000 mg/L,經(jīng)過(guò)工藝處理后廢水CODCr降至1 000 mg/L左右,整個(gè)處理工藝相對(duì)單獨(dú)用UASB工藝效率提高很多,且進(jìn)水CODCr濃度有了大幅提高,更利于企業(yè)實(shí)際應(yīng)用。

劉禮祥等[20]采用水解酸化、激波厭氧、射流曝氣三段式生物處理工藝對(duì)皂素廢水進(jìn)行處理,該組合工藝進(jìn)水CODCr?yàn)椋?500 mg/L,最終出水CODCr 147 mg/L,總?cè)コ蔬_(dá)91%,由于組合工藝較長(zhǎng),對(duì)各階段工藝條件控制是制約其處理效果穩(wěn)定的一個(gè)主要因素。

李慶新等[21]研究了將UASB與SBR工藝結(jié)合處理皂素廢水反應(yīng)器快速啟動(dòng)的影響因素,研究結(jié)果表明UASB反應(yīng)器中加入適量的鐵屑和活性炭,形成的Fe2+與SO42-在厭氧環(huán)境中被硫酸鹽還原菌還原生成S2-,結(jié)合形成FeS顆粒,從而降低H2S的抑制作用,成功消除了SO42-對(duì)生物處理系統(tǒng)的影響,使UASB反應(yīng)器中厭氧顆粒污泥在較短時(shí)間內(nèi)培養(yǎng)出來(lái),縮短了啟動(dòng)時(shí)間,使其實(shí)際的運(yùn)行效果得到改善。

解清杰等[22]利用UASB、激波厭氧、好氧組合工藝處理皂素廢水工程實(shí)踐研究,工程運(yùn)行一年多證明系統(tǒng)對(duì)廢水的流量、有機(jī)負(fù)荷的抗擊能力強(qiáng),各項(xiàng)指標(biāo)的去除率穩(wěn)定在90%。但錦鋒等[23]將UASB、水解、厭氧、好氧工藝組合用在工程實(shí)踐中,為皂素企業(yè)設(shè)計(jì)了整套廢水處理工藝,實(shí)踐表明該組合工藝切實(shí)可行,廢水經(jīng)過(guò)處理后可達(dá)國(guó)家一級(jí)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),工藝運(yùn)行成本較低,可以推廣應(yīng)用。

張壽斗等[24]利用厭氧折流板反應(yīng)池(ABR)、內(nèi)電解池、IC反應(yīng)器、生物接觸氧化池組合工藝處理黃姜皂素廢水效果明顯,雖然出水水質(zhì)指標(biāo)均達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn),但只作為實(shí)驗(yàn)室處理,工程實(shí)踐還需進(jìn)一步研究。

Zhao等[25]用兩相厭氧消化和生物曝氣濾池的組合工藝處理皂素廢水,研究結(jié)果表明,控制進(jìn)水pH在5.5兩相厭氧消化反應(yīng)器具有較高的SO42-離子去除率和CODCr去除率,再經(jīng)過(guò)曝氣生物濾池處理出水能夠達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn),且兩相厭氧消化動(dòng)力消耗小,經(jīng)濟(jì)適用宜推廣。

Li等[26]用生物燃料電池反應(yīng)器(MFC)工藝處理皂素廢水,組成電池正極和負(fù)極的就是兩個(gè)反應(yīng)器,通入廢水后廢水在電活躍微生物群落的作用下分解有機(jī)物而產(chǎn)生能量,使整個(gè)電路暢通,反應(yīng)器產(chǎn)生的電流越大,有機(jī)物降解率越高。通過(guò)質(zhì)譜分析發(fā)現(xiàn)廢水中的不同有機(jī)物在正極和負(fù)極降解程度不一樣,總體上廢水CODCr去除率在正極反應(yīng)器的去除率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于負(fù)極反應(yīng)器的去除率,這可能和電活躍微生物群的適應(yīng)環(huán)境有關(guān)。生物燃料反應(yīng)器處理皂素廢水是一個(gè)全新的處理方法,其不但能耗小而且可以將廢水中有機(jī)物轉(zhuǎn)化為電能,實(shí)現(xiàn)了廢水的資源化利用,雖然目前還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段,但是通過(guò)不斷深入研究和完善也許在不久的將來(lái)會(huì)逐步推廣使用。

3.2特定微生物用于皂素廢水處理

廢水的生物處理反應(yīng)器中微生物種群一般選用活性污泥通過(guò)馴化使微生物群體適應(yīng)廢水而對(duì)廢水降解。在對(duì)皂素廢水的處理中研究者發(fā)現(xiàn)了一些特定微生物群體具有較高的降解能力,因此將這些特定微生物放入反應(yīng)器,對(duì)廢水處理取得了較好的效果。

宋鳳敏等[27]、凌云等[28]提出將酵母菌接入生物接觸氧化池中進(jìn)行皂素廢水處理,由于酵母菌具有抗酸耐鹽等特點(diǎn),在皂素廢水中能夠利用有機(jī)碳源大量繁殖生長(zhǎng),使廢水有機(jī)物濃度大幅下降,生成的酵母干菌蛋白質(zhì)、氨基酸含量高,可作為飼料蛋白,做到了資源回收利用。

馮仁濤等[29]利用白腐菌處理皂素廢水與造紙廢液混合的廢水,由于皂素廢水酸度大而造紙廢液堿度大,兩種廢水混合后pH不需調(diào)節(jié),白腐菌即可在廢水中生存,其能夠大量降解廢水中的糖類(lèi)和木質(zhì)素,CODCr去除率可達(dá)84.5%。

李莉等[30]采用光合細(xì)菌與活性污泥聯(lián)合在SBR好氧反應(yīng)器中處理皂素廢水,活性污泥里的異養(yǎng)微生物首先將廢水中高分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化為低分子物質(zhì),當(dāng)小分子脂肪酸的濃度達(dá)到一定程度后,活性污泥處理廢水受到一定的抑制,阻礙了有機(jī)物繼續(xù)降解,而此時(shí)光合細(xì)菌能以低分子物質(zhì)作為營(yíng)養(yǎng)基質(zhì),繼續(xù)降解有機(jī)物,表現(xiàn)出活性污泥和光合細(xì)菌的相互協(xié)同和強(qiáng)化作用,處理過(guò)程中產(chǎn)生的光合細(xì)菌體也可回收作為飼料使用。

訾靜等[31]探討了厭氧光照條件下用光合細(xì)菌處理皂素廢水的影響因素,在優(yōu)化的處理工藝條件下,皂素生產(chǎn)的廢水CODCr去除率達(dá)68.96%。目前對(duì)于特定微生物處理皂素廢水主要集中在真菌和光合細(xì)菌類(lèi),更多的特定微生物處理皂素廢水還在研究探索中。

3.3固定化技術(shù)在皂素廢水處理中的應(yīng)用

一般生化處理中活性污泥隨水流出存在微生物流失的現(xiàn)象,固定化微生物技術(shù)具有保持高效菌種、生物濃度高、產(chǎn)泥量少、固液易分離、對(duì)有毒物質(zhì)承受能力和降解能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),在廢水處理特別是對(duì)含有難降解有機(jī)物或有毒物的廢水處理中應(yīng)用較多。

信欣等[32]將貝殼作為固定微生物的載體在厭氧反應(yīng)器中對(duì)皂素廢水處理,利用貝殼本身特有的三層層狀結(jié)構(gòu),使許多微生物聚居其中,同時(shí)也免受廢水中的有害抑制成分的毒害。主要成分CaCO3會(huì)溶解為反應(yīng)器提供堿度,有利于反應(yīng)器的啟動(dòng),使反應(yīng)器里的微生物免受酸性的抑制,生物膜在貝殼表面形成,提高整個(gè)反應(yīng)器的生物量,反應(yīng)器的處理能力得到很大的提高。

楊雪芬等[33]采用聚乙烯醇(PVA)凝膠包埋厭氧活性污泥制成小球接種到厭氧-好氧串聯(lián)工藝系統(tǒng)中進(jìn)行皂素廢水生物處理,通過(guò)與沒(méi)有包埋的懸浮污泥比較其處理效果以及抗毒抗有機(jī)負(fù)荷的性能,結(jié)果顯示微生物經(jīng)過(guò)固定化處理后,使固定化處理系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗毒性和抗負(fù)荷沖擊的能力,能提高系統(tǒng)的CODCr去除率。但是將包埋技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用于實(shí)踐中還有一些問(wèn)題需要深入探討。

4皂素廢水的深度處理技術(shù)

皂素廢水由于其幾萬(wàn)的CODCr濃度,通常情況下化學(xué)預(yù)處理、生化二次處理,出水CODCr濃度基本還維持在1 000 mg/L左右,且色度還很深,如果要達(dá)到直接排放的目標(biāo),必須通過(guò)深度處理。目前對(duì)于皂素廢水的深度處理方法集中在物化吸附、絮凝以及人工濕地處理等。

王瑾等[34]將生化處理過(guò)的皂素廢水通入人工濕地,濕地中種植當(dāng)?shù)刂参锼帑湆?duì)出水進(jìn)行深度處理,運(yùn)行結(jié)果表明采用當(dāng)?shù)刂参锼帑溩鳛槿斯竦刂脖豢蓪?shí)現(xiàn)良好的處理效果,水燕麥具有生長(zhǎng)周期長(zhǎng)、生長(zhǎng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。廢水的CODCr平均去除率為47.79%,氨氮平均去除率為75.64%,總磷平均去除率為88.8%,但由于有機(jī)物及不溶性無(wú)機(jī)物在人工濕地中積累,使?jié)竦厝菀桩a(chǎn)生堵塞現(xiàn)象,人工濕地長(zhǎng)效性保持方面還需要做進(jìn)一步研究。

王西峰等[35]用混凝沉淀-臭氧氧化組合工藝對(duì)皂素生物處理出水的凈化效果進(jìn)行了研究,用季胺鹽型陽(yáng)離子高分子絮凝劑YJD,助凝劑選用PAM,經(jīng)混凝處理后廢水CODCr從1 200 mg/L下降到899 mg/L,但其色度變化不大仍高達(dá)400 mg/L,再通過(guò)臭氧反應(yīng)器后廢水的上色度和CODCr有了明顯的下降,均能滿(mǎn)足排放要求。

李莉等[36]以殼聚糖為絮凝劑深度處理皂素廢水,殼聚糖作為吸附劑和絮凝劑,能夠通過(guò)分子中的氨基和羥基與有機(jī)物形成穩(wěn)定的螯合物,有效地捕集溶液中的有機(jī)物,并可以抑制細(xì)菌生長(zhǎng),使污水變清,在適宜條件下CODCr去除率可達(dá)92.91%。

試驗(yàn)中廢水脫色處理多采用活性炭作為吸附材料,龔美珍等[37]用粉末活性炭吸附皂素廢水中的焦糖色素,通過(guò)吸附試驗(yàn)處理后廢水色度脫除率高達(dá)98.75%,對(duì)水體中固形物也有一定的去除效果?;钚蕴课缴睾螅?jīng)熱堿液解析得到焦糖色素的同時(shí),活性炭也得以再生循環(huán)使用。劉智峰等[38],宋鳳敏等[39]利用粉煤灰聯(lián)合過(guò)氧化氫(H2O2)對(duì)皂素廢水進(jìn)行深度處理研究,利用粉煤灰多孔的結(jié)構(gòu)以及H2O2對(duì)有機(jī)物的氧化性,在適宜條件下,粉煤灰聯(lián)合過(guò)氧化氫對(duì)皂素廢水的色度去除率很高,CODCr去除率稍低,經(jīng)過(guò)處理后可以達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)踐應(yīng)用廢棄粉煤灰作吸附劑相對(duì)活性炭?jī)r(jià)格便宜很多,便于推廣使用。

5皂素廢水的資源化利用與清潔生產(chǎn)

5.1皂素廢水的資源化利用

皂素生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生了大量富含淀粉水解的糖類(lèi)高濃度有機(jī)廢水,同時(shí)還有富含有機(jī)物的廢渣,通過(guò)合適的方法最大限度地利用廢液廢渣中的有機(jī)物使之成為可以直接使用的資源,這是近年來(lái)皂素廢水處理中新的發(fā)展。

Zhang等[40]用皂素生產(chǎn)廢渣制備活性炭并且用這種活性炭來(lái)處理皂素廢水,結(jié)果表明用皂素廢渣制備的活性炭具有很好的物理和化學(xué)性質(zhì),處理皂素廢水比一般標(biāo)準(zhǔn)活性炭效果好且能適應(yīng)較低的pH環(huán)境,用皂素廢渣制備活性炭處理皂素廢水,實(shí)現(xiàn)了以廢治廢的目的。

繆禮鴻等[41]用皂素廢渣吸附皂素廢水后進(jìn)行堆肥發(fā)酵,不僅堆肥效果明顯增強(qiáng),而且節(jié)約了大量的堆肥用水,為皂素廢渣和高濃度皂素廢水的治理問(wèn)題提供了一種經(jīng)濟(jì)、有效的方法,實(shí)現(xiàn)了黃姜皂素生產(chǎn)過(guò)程中的主要污染物皂素廢渣和高濃度皂素廢水的資源化利用,將會(huì)使整個(gè)皂素廢水的治理難度和治污成本大大降低。

譚新敏等[42]利用皂素廢水中的可用資源,與酒精生產(chǎn)工藝相結(jié)合,采用耐高溫活性干酵母對(duì)廢水進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)出工業(yè)酒精,不僅使廢水中的CODCr值得以降低,而且節(jié)約了資源,具有良好的環(huán)保效益和經(jīng)濟(jì)效益。

Peng等[43]利用兩步納濾技術(shù)(TSNF)從皂素廢水中回收糖和酸,經(jīng)過(guò)膜處理的廢水可以回用在皂素生產(chǎn)中,廢水處理過(guò)程酸的回收率達(dá)40%以上可以用于皂素提取的酸解階段,回收到的糖達(dá)65%也能在其他方面使用,廢水的CODCr降低很多,TSNF技術(shù)做到資源利用的最大化,其在實(shí)際工程上的使用還有待進(jìn)一步研究。

5.2皂素生產(chǎn)的清潔生產(chǎn)工藝

近年來(lái)人們?cè)诓粩喔倪M(jìn)皂素廢水處理工藝的同時(shí),也在不斷地改進(jìn)皂素生產(chǎn)的工藝,把清潔生產(chǎn)的理念貫徹進(jìn)去,從皂素生產(chǎn)每個(gè)步驟去減少污染的產(chǎn)生,使資源利用達(dá)到最大化,通過(guò)這些措施減少?gòu)U液廢渣的產(chǎn)生。

Wang等[44]研究了利用糖化膜水解法制備皂素(SMRH)的清潔生產(chǎn)工藝,該工藝打破了傳統(tǒng)的化學(xué)強(qiáng)酸分解薯蕷前加了水解酶分解步驟,將皂素中的淀粉利用水解酶分解為糖并回收,且酸解后產(chǎn)生廢水用納濾滲透組合工藝處理,處理后的出水回用到打漿工藝中,回收的酸在酸解中繼續(xù)利用,這種工藝比傳統(tǒng)工藝使用的酸和水大大減少,排放的廢水廢渣也大幅下降,整個(gè)制取工藝不但排污減少而且費(fèi)用也降低很多,該工藝經(jīng)過(guò)2年的試驗(yàn)研究,現(xiàn)已在湖北等省市推廣應(yīng)用。

Zhu等[45]比較了用水解酶-微生物發(fā)酵工藝提取皂素與微生物發(fā)酵-酸解工藝提取皂素兩種工藝,結(jié)果表明水解酶-微生物發(fā)酵工藝提取皂素是可行的,在同樣條件下皂素的提取率較高,且廢水產(chǎn)生量小,廢水中的CODCr、TOC、SO42-分別減少了99.4%、99.2%、100%。

Liu等[46]研究用石油醚-乙醇-硫酸銨(TLPS)工藝從薯蕷發(fā)酵液中提取皂素,也是對(duì)傳統(tǒng)提取皂素方法的改進(jìn)。Qiu等[47]將微波和發(fā)酵工藝結(jié)合作為皂素生產(chǎn)預(yù)處理方法,結(jié)果顯示用微波處理再發(fā)酵預(yù)處理過(guò)的薯蕷,皂素產(chǎn)量較沒(méi)預(yù)處理過(guò)的提高了42.5%,廢水中CODCr減少了69.7%,淀粉和纖維素回收率分別達(dá)81.8%和50.8%。

6結(jié)語(yǔ)與展望

縱觀以上研究結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn)皂素廢水的處理工藝基本上是物化預(yù)處理+生化處理+物化(生物)深度處理的模式。整個(gè)廢水處理工藝流程如果簡(jiǎn)單易操作,可能就存在處理效率不高,出水很難達(dá)標(biāo)排放的情況;而工藝流程復(fù)雜,運(yùn)行操作的要求較高,實(shí)際投資會(huì)比較大,廢水處理成本較高,難以推廣應(yīng)用。當(dāng)然通過(guò)10多年的發(fā)展各類(lèi)技術(shù)在皂素廢水處理中發(fā)揮的作用也越來(lái)越完善,改進(jìn)了各方面的不足。而近年來(lái)提出的皂素廢水的資源化利用和皂素生產(chǎn)的清潔生產(chǎn)工藝很好地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)組合工藝處理廢水的不足,尤其是清潔生產(chǎn)工藝的開(kāi)發(fā),更是從源頭上減少了污染的排放,為后期處理減輕了負(fù)擔(dān),廢水廢渣的資源化利用從根本上說(shuō)也是清潔生產(chǎn)的方式,使資源的利用達(dá)到最大化,也就減少了污染向環(huán)境的排放。因此研究皂素的清潔生產(chǎn)工藝,同時(shí)對(duì)皂素生產(chǎn)的原料進(jìn)行綜合利用,如生產(chǎn)酒精、生產(chǎn)沼氣及生物電池、回收糖類(lèi)等都是今后皂素廢水處理技術(shù)發(fā)展的主要思路,皂素生產(chǎn)企業(yè)能夠可持續(xù)發(fā)展的主要途徑。

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