何瀟,王璐,馮煒弘,殷芳群,?;坻?,汪建旭
(1. 蘭州市農(nóng)業(yè)科技研究推廣中心,蘭州市,730010; 2. 蘭州現(xiàn)代職業(yè)學(xué)院,蘭州市,730300)
隨著蔬菜產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的快速推進(jìn),尤其是以凈菜上市為代表的初級(jí)加工產(chǎn)業(yè)迅速崛起,導(dǎo)致蔬菜廢棄物數(shù)量急劇攀升[1]。
以甘肅省為例,2018年蔬菜產(chǎn)量1 292.6萬(wàn)t[2],據(jù)測(cè)算,年產(chǎn)生蔬菜廢棄物約400萬(wàn)t。蔬菜廢棄物中含有大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),固形物中有機(jī)質(zhì)含量在70%左右,生物質(zhì)類型主要為糖類、蛋白質(zhì)、脂肪、半纖維素、纖維素及木質(zhì)素[3],因此,蔬菜廢物往往是無(wú)害的,只有蔬菜組織,沒(méi)有大量的有害物質(zhì)[4]。
蔬菜廢棄物主要產(chǎn)生于蔬菜產(chǎn)區(qū)、蔬菜集散地和蔬菜加工場(chǎng)所[1]。流通環(huán)節(jié)蔬菜廢棄物主要是葉菜類(娃娃菜等)、根莖類蔬菜(芹菜、萵筍等)外梆葉以及大量無(wú)商品價(jià)值的蔬菜組織等。因其量大且產(chǎn)生比較集中,規(guī)模化集約處理是較為合理的方式。但是高含水量帶來(lái)不易運(yùn)輸、保存周期短易腐爛等問(wèn)題,且生產(chǎn)高峰期一般處于高溫季節(jié),嚴(yán)重制約了其資源化利用。大量不能及時(shí)處理的蔬菜廢棄物被丟棄,不但造成巨大的資源浪費(fèi),而且已成為農(nóng)村和城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境主要污染源之一[5-6]。
以水葫蘆的處理方式為借鑒[7-8],經(jīng)過(guò)壓榨脫水減容處理后的蔬菜廢棄物固相部分可以被廣泛運(yùn)用于飼料、肥料、能源等領(lǐng)域;而液相部分因懸浮物多,有機(jī)物濃度高,對(duì)水處理設(shè)施沖擊大,需要進(jìn)行預(yù)處理。
混凝沉淀一般能有效去除80%~90%的懸浮物和65%~95%的膠體物質(zhì)[9-10],是一種成本低廉、操作簡(jiǎn)便的常用水處理技術(shù)。本研究采用氯化鐵(FeCl3)、硫酸鋁(Al2(SO4)3)、聚合硫酸鐵(PFS)、聚合氯化鋁(PAC)、聚合氯化鋁鐵(PAFC)為混凝劑,陽(yáng)離子、陰離子、非離子型聚丙烯酰胺(PAM)為助凝劑,利用混凝法對(duì)蔬菜廢棄物壓榨液進(jìn)行預(yù)處理,以減輕后續(xù)生物處理單元的運(yùn)行負(fù)擔(dān)。同時(shí),通過(guò)單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面設(shè)計(jì)優(yōu)化混凝沉淀工藝,以期為蔬菜廢棄物壓榨液的規(guī)模化處理提供參考。
本試驗(yàn)中蔬菜廢棄物(以娃娃菜外梆葉為主)取自榆中金星菜庫(kù),經(jīng)螺桿壓濾后收集壓榨液。壓榨液為綠色至黃綠色,無(wú)刺激性氣味,各項(xiàng)指標(biāo)見(jiàn)表1。
表1 蔬菜廢棄物壓榨液的水質(zhì)指標(biāo)Tab. 1 Water quality index of vegetable waste pressing liquid
試驗(yàn)藥品:硫酸鋁,氯化鐵,氫氧化鈉,鹽酸,硫酸、堿性過(guò)硫酸鉀等,以上均為分析純;水質(zhì)測(cè)定儀配套試劑;聚合硫酸鐵(PFS,硫酸鐵含量20%,淡黃色無(wú)定形粉末),聚合氯化鋁(PAC,Al2O3含量28%,黃色固體),聚合氯化鋁鐵(PAFC,鋁含量25%,鐵含量3%,紅褐色粉末)等,使用前配制成80 g/L母液,投加時(shí)以藥品量計(jì);聚丙烯酰胺(PAM):使用前配制成0.4 g/L母液,投加時(shí)以PAM計(jì)。
主要儀器:螺桿壓濾機(jī),六聯(lián)數(shù)控?cái)嚢柩b置,電子分析天平,pH計(jì),紫外可見(jiàn)分光光度計(jì),多參數(shù)水質(zhì)測(cè)定儀,循環(huán)水真空泵,電熱鼓風(fēng)干燥箱等。
混凝試驗(yàn)方法:新鮮蔬菜壓榨液400 mL置于1 L燒杯中,調(diào)節(jié)pH,開(kāi)啟六聯(lián)數(shù)控?cái)嚢柩b置快速(300 r/min)攪拌30 s,加混凝劑快速攪拌1 min(復(fù)配時(shí),先加絮凝劑攪拌30 s,再加助凝劑攪拌1 min)后,慢速(150 r/min)攪拌15 min,靜置30 min后取上清液測(cè)定各指標(biāo)。
pH值:pH計(jì)法;水質(zhì)懸浮物(Suspended Substance,SS):重量法,GB 11901—1989;化學(xué)需氧量(Chemical Oxygen Demand,COD):快速消解分光光度法,HJ/T 399—2007;總氮(Total Nitrogen,TN):堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法,HJ 636—2012;總磷(Total Phosphorus,TP):鉬酸銨分光光度法,GB 11893—1989。
1.5.1 對(duì)照組的設(shè)置
因蔬菜廢棄物壓榨液中懸浮物含量高,且不同批次蔬菜廢棄物壓榨液指標(biāo)不盡相同,為排除對(duì)試驗(yàn)的干擾,每批次試驗(yàn)均以不投加任何藥品,同步攪拌、自然沉降后的上清液指標(biāo)為對(duì)照(CK)。文中的去除率均為減去CK后各試驗(yàn)因素或條件對(duì)絮凝沉降的貢獻(xiàn)。
1.5.2 絮凝劑的比選
向新鮮蔬菜壓榨液中分別加入Al2(SO4)3、FeCl3、PAC、PFS和PAFC,使各絮凝劑最終濃度為2.0 g/L,考察各絮凝劑對(duì)SS、COD、TN及TP的去除效果。
1.5.3 助凝劑的比選
在比選出絮凝劑的基礎(chǔ)上,分別與20 mg/L的陽(yáng)離子(CPAM,離子度20%、30%、40%、50%)、陰離子(APAM,相對(duì)分子量800萬(wàn)、1 000萬(wàn))和非離子(NPAM,相對(duì)分子量800萬(wàn)、1 000萬(wàn))型聚丙烯酰胺進(jìn)行復(fù)配,考察不同類型助凝劑對(duì)SS、COD、TN及TP的去除效果,確定混凝劑的選型。
1.5.4 單因素試驗(yàn)
自然pH,助凝劑20 mg/L條件下,加入不同濃度梯度絮凝劑,考察絮凝劑添加量對(duì)混凝沉淀的影響;自然pH,絮凝劑2.0 g/L條件下,加入不同濃度梯度助凝劑,考察助凝劑添加量對(duì)混凝沉淀的影響;絮凝劑2.0 g/L,助凝劑20 mg/L條件下,調(diào)節(jié)壓榨液pH,考察pH對(duì)混凝沉淀的影響。
1.5.5 響應(yīng)面設(shè)計(jì)
根據(jù)單因素試驗(yàn)確定的水平條件,以SS和COD的去除率為響應(yīng)值,考察不同pH、混凝劑PAC投加量、助凝劑PAM投加量條件下的混凝效果。采用Design expert 10.0.4軟件,利用Box-behnken設(shè)計(jì)三因素三水平的響應(yīng)面分析方法。試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。
表2 響應(yīng)面分析因素水平表Tab. 2 Table of different factors and levels ofresponse surface analysis
2.1.1 絮凝劑比選結(jié)果與分析
添加絮凝劑后,沉淀部分為泥狀,有明顯的沉降界面,但固液分離不易;鋁鹽有一定脫色作用,處理后溶液色淺;鐵鹽處理后溶液顏色加深。不同類型絮凝劑的絮凝效果見(jiàn)圖1。
從SS去除率看,對(duì)SS去除效果為PAFC>PFS>PAC>FeCl3>Al2(SO4)3;聚合物效果優(yōu)于無(wú)機(jī)單體,鐵鹽效果優(yōu)于鋁鹽;COD和TP去除效果最高為PAC,TN去除最高為PAFC??紤]到鐵鹽處理后溶液顏色較深,且對(duì)設(shè)備有腐蝕性;而PAFC對(duì)SS去除效果僅比PAC高約4%,價(jià)格卻是PAC的數(shù)倍,會(huì)使水處理成本大幅提高,影響技術(shù)實(shí)用效果,故選用PAC為絮凝劑。
圖1 不同類型絮凝劑的絮凝效果Fig. 1 Flocculation effect of different flocculants
2.1.2 助凝劑比選結(jié)果與分析
絮凝劑與助凝劑復(fù)配后,沉淀為不規(guī)則顆粒,質(zhì)地緊密,利用篩網(wǎng)很容易實(shí)現(xiàn)固液分離。不同助凝劑的混凝沉淀去除率見(jiàn)圖2。
從SS去除效果看,陽(yáng)離子型(CPAM)效果明顯優(yōu)于陰離子型(APAM)和非離子型(NPAM),其中以離子度40%為最佳。因?yàn)槭卟藦U棄物壓榨水中含有大量纖維,而CPAM所帶電荷與纖維所帶電荷相反,可以起到很好的絮凝作用[11];APAM正好相反,所以效果較差;NPAM不依賴于電荷,主要靠吸附架橋和卷掃網(wǎng)捕,分子量是其作用的關(guān)鍵[11],在試驗(yàn)中也能夠體現(xiàn)。
圖2 不同類型PAM對(duì)混凝的影響Fig. 2 Effect of different PAM on coagulation
從COD、TP和TN的去除效果看,CPAM效果也要優(yōu)于APAM和NPAM,且混凝沉淀主要以去除SS為主,故選擇CPAM(40%)作為助凝劑。
2.2.1 絮凝劑添加量對(duì)絮凝效果的影響
PAC用量在0~0.9 g/L范圍內(nèi),絮體顆粒逐漸增大;在0.9~2.4 g/L范圍內(nèi),絮體顆粒較大,梯度間無(wú)明顯差異,質(zhì)地緊密;繼續(xù)增加PAC用量,絮體顆粒再次變小。不同PAC添加量的絮凝沉淀去除率見(jiàn)圖3。
從SS和COD去除來(lái)看,隨著PAC投加量的增大,水中帶正電荷逐漸增多,在電中和作用下有效凝聚,從而使去除率增大,當(dāng)PAC投加量為2.1 g/L時(shí)效果最佳;當(dāng)投加量繼續(xù)增大時(shí),因再穩(wěn)現(xiàn)象使處理效果變差,與大多數(shù)絮凝研究結(jié)果一致。
對(duì)TP的去除率隨PAC用量增加不斷提高,其原因可能與鋁鹽除磷機(jī)理有關(guān)。鋁鹽除磷主要是與磷酸根反應(yīng)生成難溶沉淀物[12],因此推測(cè)是蔬菜廢棄物壓榨液中磷和SS含量均太高,而SS又競(jìng)爭(zhēng)了大量鋁鹽使反應(yīng)底物尚未飽和而導(dǎo)致。
TN因去除率較低,變化不明顯,且主要在后續(xù)生化工藝中去除,不再作為考察指標(biāo)。
圖3 不同PAC添加量對(duì)去除率的影響Fig. 3 Effect of PAC addition amount on removal rate
2.2.2 助凝劑添加量對(duì)混凝效果的影響
隨著PAM添加量增大,絮體顆粒逐漸成形并增大。不同PAM添加量的混凝沉淀去除率見(jiàn)圖4。
圖4 不同PAM添加量對(duì)去除率的影響Fig. 4 Effect of PAM addition amount on removal rate
從SS和COD去除率來(lái)看,隨著PAM投加量的增大,因電荷中和、吸附架橋和卷掃網(wǎng)捕等作用,使去除率逐漸增大,到20 mg/L時(shí)達(dá)到峰值;當(dāng)投加量繼續(xù)增大時(shí),會(huì)影響懸浮物上的動(dòng)電位,使吸附架橋作用力變小,從而使處理效果降低[13]。
從TP的去除率來(lái)看,加入PAM能大幅提高TP去除率,但隨后TP去除率受PAM濃度變化影響較小。磷在植物體內(nèi)大部分是有機(jī)磷,如核酸、磷脂等,少量是磷酸鹽,推測(cè)PAM對(duì)其去除作用主要是對(duì)大分子有機(jī)磷和與鋁鹽反應(yīng)生成的難溶磷鹽的吸附與網(wǎng)捕,因此濃度對(duì)其影響不明顯。
2.2.3 pH值對(duì)混凝效果的影響
上清液色澤在自然pH下為淺黃或淺綠,隨著pH降低或升高逐漸變深;酸性條件下沉淀為不規(guī)則顆粒狀,大小無(wú)明顯差異,堿性條件下沉淀顆粒逐漸變小直至泥狀。不同pH的混凝沉淀去除率見(jiàn)圖5。
從SS和COD去除率來(lái)看,有2個(gè)峰值,分別為pH=5和pH=8。分析原因可能與混凝劑有關(guān):酸性條件下鋁鹽和陽(yáng)離子PAM共同作用使懸浮物顆粒脫穩(wěn)、沉淀而去除;強(qiáng)酸條件下,正電荷過(guò)多,懸浮物顆粒不能與帶正電荷的絮凝劑作用,絮凝效果變差;中性條件下,懸浮物顆粒所帶電荷減少,不利于混凝劑發(fā)揮作用;堿性條件下鋁鹽主要以Al(OH)3形式存在,可以發(fā)揮一定的絮凝作用,但陽(yáng)離子PAM不易水解,分子鏈伸展度降低,吸附架橋作用減弱逐漸失效[14],這從沉淀物的形態(tài)變化也可以得到驗(yàn)證。
圖5 不同pH對(duì)去除率的影響Fig. 5 Effect of pH on removal rate
從TP的去除率來(lái)看,隨著pH升高去除率不斷提高。分析原因可能是隨著pH升高,核酸、磷脂等有機(jī)物被破壞,釋放出磷與鋁鹽形成沉淀造成。
2.3.1 Box-behnken設(shè)計(jì)結(jié)果與響應(yīng)面分析
單因素試驗(yàn)顯示在試驗(yàn)條件下TP去除率未找到極值,因此不作為響應(yīng)值。以SS和COD去除率為響應(yīng)值,以PAC添加量(A)、PAM添加量(B)、pH(C)為自變量的響應(yīng)面設(shè)計(jì)和結(jié)果見(jiàn)表3。對(duì)回歸方程方差進(jìn)行分析,結(jié)果見(jiàn)表4。
表3 Box-behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Tab. 3 Experimental design and results of Box-behnken test
采用Design-Expert 10.0軟件對(duì)表3試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元回歸擬合分析,得到SS和COD去除率回歸方程分別為
Y1=55.01+0.32A+1.47B-1.12C-0.058AB+
0.03AC-0.37BC-1.21A2-4.44B2-4.92C2
R2=0.996 4
Y2=18.35-0.01A+0.014B-0.051C-
0.068AB-0.12AC+0.20BC-0.041A2-
0.19B2-0.75C2
R2=0.967 1
表4 SS和COD去除率試驗(yàn)結(jié)果方差分析Tab. 4 ANOVA results of SS and COD removal rate
由表4方差分析可知,該模型顯著性高,3因素對(duì)SS去除率的變化影響主次順序?yàn)镻AM>pH>PAC,對(duì)COD去除率的變化影響主次順序?yàn)閜H>PAM>PAC,試驗(yàn)?zāi)P偷膒<0.01,顯示模型顯著性較高;失擬項(xiàng)不顯著,表明預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值之間的相關(guān)性較好。
2.3.2 交互作用分析
為了考察各因素及其交互作用對(duì)SS和COD去除率的影響,利用Design Expert 10.0軟件對(duì)其進(jìn)行作圖,固定其他因素條件不變,獲得任意兩個(gè)因素及其交互作用對(duì)SS和COD去除率影響的響應(yīng)面圖及等高線圖,結(jié)果如圖6所示。
(a) PAC和PAM對(duì)SS去除率的影響
(b) PAC和pH對(duì)SS去除率的影響
(c) PAM和pH對(duì)SS去除率的影響
(d) PAC和PAM對(duì)COD去除的影響
(e) PAC和pH對(duì)COD去除率的影響
(f) PAM和pH對(duì)COD去除率的影響圖6 響應(yīng)面各因素交互作用圖Fig. 6 Interaction of various factors in response surface
由圖6可以看出,各因素對(duì)SS和COD去除率的影響不是一個(gè)簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。所有因素都在調(diào)查范圍內(nèi)。響應(yīng)面坡度越大,響應(yīng)值對(duì)不同條件的變化越敏感。反之,坡度越平緩,對(duì)響應(yīng)值的影響越小。
2.3.3 模型的驗(yàn)證
通過(guò)軟件分析,得到蔬菜廢棄物壓榨液混凝處理最佳條件:PAC為1.92 g/L,PAM為24.4 mg/L,pH為5.3,混凝劑對(duì)SS和COD去除率貢獻(xiàn)預(yù)測(cè)值分別為51.28%,18.22%。采用上述最佳條件進(jìn)行驗(yàn)證,得到的混凝劑對(duì)SS和COD去除率貢獻(xiàn)實(shí)際為51.11%和17.84%,與預(yù)測(cè)值基本吻合,說(shuō)明該模型對(duì)蔬菜廢棄物壓榨液混凝預(yù)處理分析準(zhǔn)確可靠。
通過(guò)對(duì)混凝劑Al2(SO4)3、FeCl3、PAC、PFS、PAFC和陽(yáng)離子、陰離子、非離子等不同類型助凝劑PAM的比選,選擇了蔬菜廢棄物壓榨液混凝劑為PAC+CPAM。
由單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面分析,得出最佳混凝條件:PAC為1.92 g/L,PAM為24.4 mg/L,pH為5.3,此條件下混凝劑對(duì)SS和COD的去除率貢獻(xiàn)分別為51.11%和17.84%,回歸模型擬合較好,為蔬菜廢棄物壓榨液的規(guī)模化處理提供了參考。
混凝沉淀法可有效降低蔬菜廢棄物壓榨液中SS、COD和TP,沉淀物易分離,便于后續(xù)處理。
中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)2021年7期